往復壓縮機十字頭故障原因研究

陳吉光

（大慶石化公司煉油廠維修車間，黑龍江 大慶 163000）

1 案例簡述

根據課題的研究需求以及研究目的，選擇某石化煉油廠的往復式壓縮機作為研究樣本展開研究。該石化煉油廠2003年投用的上海德萊賽蘭公司生產的3臺三級壓縮機設備，用于提高新氫系統壓力。該壓縮機為三缸體壓縮機，其中左側為一個一級缸體，右側為一個二級及一個三級缸體，總體呈非結構。設備自投入使用后始終穩定運行，2007年5月在沒有任何故障征兆的前提下，突發性十字頭損壞，維修后與2009年11月再次損壞，該設備符合慣性十字頭故障特征，與課題研究方向相同，故選擇其為課題的研究樣本，展開研究。

2 案例分析

2.1 故障現象

該廠往復式壓縮機設備字2003年引入后一直穩定運行，2007年的5月，巡檢員工發現設備在運行過程中出現了極大的異常響動，停機后進行拆解檢查，發現電機對側十字頭銷板脫落，固定螺絲嚴重彎曲或已經斷裂，錐形套損壞，調整環斷裂，金屬履損壞，大頭瓦嚴重偏磨。

2007年設備故障維修結束后，回復正常運行2009年11月再次出現了相同狀況，再次進行拆解檢查，發現電機對側十字頭側蓋板螺栓松動，壓板脫落，壓板螺栓松動，錐形套損壞。

2.2 故障診斷

（1）診斷步驟。基于故障表象初步判斷是由于十字頭銷受力異常造成的故障，對其診斷可以分為如下三部分。其一，在實驗室環境下對十字頭進行模擬受力分析，對十字頭銷受到的應力進行綜合分析，重點對綜合活塞應力、往復慣性力以及二者的合力分析，并對曲軸轉角和氣缸壓力參數進行測量，以求提高綜合活塞力和合力的計算質量。其二，根據測量結果繪制十字頭的負載曲線，負載曲線應涵蓋綜合活塞力、往復慣力以及合力共三條曲線。其三，利用負載曲線分析工作中十字頭的實際受力情況，進行故障診斷。

（2）壓力信號的測取。在該往復式壓縮機設備中，十字頭受到的綜合活塞壓力主要來自于氣缸內的氣體壓縮產生的壓力，壓力信號的獲取精度對壓力測量以及應力測量均有直接的關聯，并對最終的故障分析結果存在影響，為了提高分析結果的精度，實驗研究中構建了引壓通道，將缸體內壓力引入，然后通過隔離閥以及壓力傳感器等設備進行動態的壓力信號獲取。近年來生產的往復式壓縮機設備，為了便于壓力檢查，會在制造中預留取壓口，但2010年前生產的往復式壓縮機設備均需要建立引壓通道來進行壓力信號的獲取，在引壓通道的構建中應注意避免通道長度過長，導致壓力信號反應滯后降低壓力精度，也要注意直徑的選擇。具體選擇方法如下。

①通道位置的選取。通道位置的選擇一般有兩種方法及標準，其中是最為直接便捷的方法，在氣缸壁的適當位置直接開槽，并安裝封隔器，隨后連接壓力傳感器，進行壓力信號的動態獲取。該方法簡單直接，取壓距離最短，信號最為準確，但該方法也存在明顯的缺陷，由于需要在氣缸上開孔，導致對氣缸造成損壞，對氣缸密閉性以及后期工作性能均會造成影響。第二種方法在氣閥位置進行開孔，將氣體放入導管中，導管另一端連接壓力傳感器，實現壓力信號的獲取，該方式不會破壞氣缸，但由于流程存在泄壓可能，測量結果精度不高。為了保護氣缸性能和使用壽命，一般都選用第二種方式進行通道構建。

②通道直徑的選擇。通道直徑決定最終的壓力獲取精度，一般要求通道共振頻率要大于轉速的100赫茲，以求最大限度降低壓力共振對壓力信號造成的影響，減少壓力信號的失真概率。

2.3 原因分析

（1）壓縮機結構。該壓縮機為三缸結構，最高壓缸等級為三級。

在往復式壓縮機的結構中，十字頭配件是主要的承力部件，這也是損壞概率的根本原因之一。十字頭承受的應力主要來自于活塞連桿的拉力以及來自水平方向的連桿壓力，也存在因設備運轉產生的摩擦力。十字頭銷受力一般是由連桿帶來的水平拉力。案例中壓縮機連桿通過連桿大頭瓦進行定位，降低十字頭的軸向擺動。

（2）故障原因分析。經過設備拆解以及檢測分析，確定設備的故障原因，壓縮機電機對稱十字頭配套部件損壞十分嚴重，壓縮機在運行過程中十字頭墊片磨損速度較快，在完全磨損后導致調整環損壞，環體殘片落入設備滑道中，逐步損壞滑履，造成十字頭長期在不均勻受力狀態下運行，最終損壞。

目前大型往復壓縮機多數都采用對連桿大頭段進行固定的設計結構，以求提高系統的潤滑效果以及運行穩定性。根據案例中設備的詳細參數信息得知，設備電機側一級和三級大頭瓦兩端間隙值較小，查閱相關文獻資料以及廠家提供的參數資料可以確定該間隙滿足運行標準。但非電機側的二級間隙為13mm間隙過大，可以認定其沒有進行軸向的方向定位處理。隨后對兩處十字頭以及調整環、連桿小頭瓦、調整環厚度進行測量，計算出每個調整環的間隙為0.2.因此可以通過增加調整墊片的方法減少內部擺動。

在設備運行中調整環斷裂后，連桿會出現軸向無定位的現象，擺動幅度增加，運行中所受應力也不斷加大，最終因磨損加劇造成了壓板螺栓斷裂逐步引發十字頭損壞的事故。

3 處理措施

3.1 調整環優化

通過對調整環進行檢測分析，得出如下結論，設備使用的調整環是球墨鑄鐵結構，該材料優劣勢均十分明顯，優勢在于相比其他材料具有更高的硬度、強度，在使用中具有極強的耐磨能力，減振性能也十分優秀，不容易出現彎曲等形變，具有較強的運行穩定性以及使用壽命，但其也具明顯的缺點，由于韌性較低，形變極限低，在受到較大應力時會出現斷裂。因此可以優化調環的鑄造材料，提高整體韌性以抗沖擊能力，降低其發生鍛煉損壞現象的概率，從而減少十字頭損壞的事故發生。

3.2 在連桿小頭瓦位置增加墊片

在對設備故障后的檢測分析中發現曲拐寬度存在偏差，說明設備曲軸在加工過程存在一定的品控問題，加工整體誤差較大，非電機一側尺寸誤差明顯，間隙過大，導致連桿大頭軸向定位出現問題，因此可以根據實際情況在連桿小頭位置增加墊片，來對設備的先天缺陷進行有效彌補，提高運行穩定性，降低十字頭故障的發生概率。

4 結語

往復式壓縮機通過曲軸、連桿等機械結構，將電機提供的旋轉動力，轉換為活塞的往復直線運動，達到增加的目的。十字頭在工作過程中需要承擔較大的應力，承受交變載荷的作用，因此整體故障較高，本文以實際案例作為研究樣本分析了常見故障以及故障的檢測方法，并提出對應的解決策略，但研究層面相對狹窄，僅僅針對單一故障，沒有對故障之間的相互影響進行協同分析，需要進一步分析和完善。