進口煤層氣壓縮機關鍵配件國產化研究應用

高德占 張 慧 王 暉 霍洪濤 黃政華 馬翔宇

(1.中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000；2.中國石油天然氣股份有限公司華北油田煤層氣成莊作業分公司，山西 048000)

1 主要配件故障分析

往復式煤層氣壓縮機組主要由壓縮機機體、電動機、聯軸器、工藝氣管路系統、冷卻系統、潤滑系統、儀表控制系統、空冷器、高位油箱部件、電加熱器部件、底座等部件組成。壓縮機主機為對稱H型對稱平衡活塞式，主要由機體、十字頭滑道體、氣缸、氣閥、曲軸、連桿、十字頭、活塞、冷卻系統、潤滑系統等組成。兩列汽缸頭端設置有可調余隙容積缸，可根據需要調節排氣量。

煤層氣壓縮機入口平均進氣壓力為0.025MPa,遠低于設計最低進氣壓力0.05MPa，壓縮機的容積流量達不到設計要求，實際運行壓力比高于設計壓力比；煤層氣較天然氣所含粉塵雜質量大，盡管在后續工藝流程上增加了過濾分離器，但是低于1μm的粉煤灰雜質難以捕捉，壓縮機在使用過程中頻繁出現氣閥、活塞組件為主的故障，嚴重影響煤層氣的平穩外輸，增加了維修量及維修成本。

1.1 氣閥組件故障

氣閥工作性能直接影響壓縮機氣缸的工作效率，單臺壓縮機各級排氣溫度偏高，氣閥頻繁損壞，尤其是一級排氣閥每月平均損壞 2.6次，氣閥的運行壽命低。經查，發現80%以上氣閥閥片產生徑向裂紋或斷裂和磨損，對徑向斷裂的閥片有的在斷裂處還出現有小面積表面塊狀剝落,在閥片內外圈的密封口處都留有明顯的磨損痕跡，氣閥彈簧斷裂或閥彈簧松弛變形。主要原因是，進氣量低進氣壓力不足導致氣閥開閉阻力增大，閥簧剛性小，閥片開啟時緩沖不夠，關閉過程中出現顫振或延遲關閉，閥片升程限制器及閥座受到交變沖擊載荷作用，閥片啟閉時所受沖擊大，閥片撞擊次數多易損壞。

1.2 活塞組件故障

在壓縮機中，活塞與氣缸構成了壓縮容積，是煤層氣增壓的關鍵部件。壓縮機活塞、缸套組件平均使用壽命不足8000小時，活塞環槽磨損量超過標準值一倍以上，氣缸壁光潔度變差，出現深淺不一的磨痕，活塞環斷裂，活塞環平均使用壽命不超過4000小時，主要原因是進氣壓力不足，低于1μm的粉煤灰雜質的存在加劇了活塞組件的磨損。

2 配件國產化應用

2.1 活塞組件

在常規設計的基礎上煤層氣壓縮機活塞側重要求：①有足夠的強度和剛度，耐磨性好，可以存在少量煤灰；②活塞與缸套有與現場工況匹配的最佳配合間隙，活塞膨脹系數??；③對于對稱平衡式兩級壓縮的壓縮機，活塞重量嚴格執行API618標準要求；④制造工藝性好，避免應力集中。

利用從該進口壓縮機中更換下來的廢舊21″活塞組件作為研究對象，該活塞為雙作用組合結構活塞。首先進行了材質分析，通過晶相分析，獲得其密度為2.8g/cm3,其化學組分百分比見表1。

表1 原裝活塞材質組成占比

經過分析選用鋁合金6061，使國產化的活塞的重量、抗腐蝕性等與進口活塞一致。進口活塞的非加工面的光潔度高，機加工表面氣孔率低。選用低壓鑄造工藝。為預防成品活塞變形并提高活塞的加工性，需對毛坯進行了時效處理，至毛坯達到基本穩定狀態后，再對毛坯進行后續加工?；钊庸み^程中的精加工和比較重要的加工工序采用數控機床，以提高活塞精度。因低壓鑄造常常會出現氣孔、夾渣、收縮等將會對活塞功能產生致命影響的缺陷，需對毛坯進行了探傷檢驗，確認活塞毛坯的致密度一致。經查閱API618標準及進口零件手冊，并在現場測量了主要參數(表2)。

表2 活塞主要參數對比

通過高效連續時效熱處理爐，采用了國內外較為先進的直接淬火+時效的熱處理方式對活塞表面進行熱處理，該方式對淬火用水溫、工人技能、工藝執行力要求較為嚴格，去除了活塞固溶過程，節約了固溶加熱的能源消耗，減少了工序周轉次數，提高了產品質量。同時對活塞的表面進行了陽極化處理，經測量，進口活塞外表面的硬度約為HV390。因此，對成品活塞進行表面陽極化處理；重點控制介質溫度、電流密度、氧化時間等參數，使得成品活塞的表面硬度保持在HV400左右，以提高其耐磨性、耐腐蝕性和其疲勞強度。

為更好的保證活塞使用效果，設計定制專用活塞環提高活塞使用壽命，根據煤層氣壓縮機當前的運行工況，以及預測未來一段時間的運行工況，計算出煤層氣壓縮機在夏季氣溫下的各級排溫不高于120℃。取安全裕度25%，則需要該材質能在150℃的工作環境下可靠運行。材質較低的熱膨脹系數，可以使得其在常溫下保持較小的裝配間隙，因此，選材的熱膨脹系數越小越好。結合上述分析，選用PTFE作為煤層氣壓縮機活塞環的材料，其工作溫度為-180～250℃，縱向熱膨脹系數11.2×10-5/℃，橫向熱膨脹系數為6.8×10-5/℃?；钊h選用模壓法整環成型，充分考慮到PTFE的鑄造收縮率，控制成品的尺寸和外觀，并保證活塞環的表面粗糙度；切口采用的斜切口形式，通過機加工切割成兩半，并在切割過程中對活塞環的開口間隙尺寸進行控制。

2.2 氣閥組件

在常規設計的基礎上對煤層氣壓縮機氣閥進行了改進，限制氣閥壽命的主要因素是閥片及彈簧質量。

① 按實際工況重新對閥彈簧進行設計,對彈簧剛度、彈簧力都進行了調整,使改進后閥片運動規律趨于合理，阻力損失小，氣閥關閉及時、迅速,關閉時不漏氣。

② 加強閥片、彈簧的質量。彈簧材質選用碳素彈簧鋼，對彈簧進行表面強化和松弛處理；閥片材料選用中溫尼龍，具有強度高、韌性好、耐磨、耐腐蝕、耐高溫性能，提高彈簧、閥片的疲勞壽命；

③ 加強工藝管理,氣閥總成加工工藝采用整體沖鍛替代鑄造，提升了耐磨性能，嚴格控制溫度、壓力指標,穩定工況。

3 現場試驗

成品國產化配件經過出廠檢驗，對壓縮機活塞的配重進行了復核，發現該列活塞組件、十字頭及連桿的重量之和，與之相對列的重量差僅為170g，完全滿足了原進口廠家規定的配重重量差不大于453g的技術要求，同時測量了該活塞與活塞環的配合間隙，活塞與氣缸的配合間隙，活塞裝配后的內外死點的壓縮余隙，完全符合了API618標準。確保滿足設計要求后，將其試裝到進口壓縮機上。壓縮機組經歷了1分鐘、10分鐘、30分鐘間歇空載試機及72小時的負載試機，壓縮機油壓、油溫等參數無異常，排氣溫度、排氣壓力，壓縮機振動等關鍵數據得到改善(圖1，2)。

圖1 更換前后壓縮機排溫、排壓對比

圖2 更換前后振動值對比

壓縮機組持續運行2000小時、4000小時，機組運行情況及各項參數正常，同時對國產化配件進行了拆解，檢查相關尺寸參數，經歷負載工作后，國產化配件未發生任何異常磨損現象，全部檢驗數據與裝配時的尺寸參數基本一致，無現場故障發生，一級排氣閥每月平均損壞降低為0.8次。