加氫裂化4M50新氫往復機一級活塞故障與改造

卓旻，曲慧

（恒河材料科技股份有限公司，浙江寧波 315207）

C302ABCD 四臺新氫壓縮機是某煉化公司加氫裂化裝置核心機組，型號為4M50-36/11-192-BX，盡管該機型具有排氣量大，能耗低，維修方便等優點，但四臺機組運行以來多次出現一級缸故障導致非計劃停機檢修，一級缸內活塞故障不僅給裝置正常安全生產造成威脅，同時也增加了大量的檢修作業及配件更換費用。故障現象主要是一級缸出現“鐺鐺”撞擊聲或出現異常尖叫摩擦聲。機組結構與一級缸相關工藝參數如表1。

表1 參數表Tab.1 Parameters table

1 一級活塞故障現象及原因分析

1.1 一級缸出現撞缸異響

操作工現場巡檢時多次發現一級缸明顯撞缸現象，伴有較大響聲及劇烈振動，輕微撞缸聲音在平時工程師特護巡檢時也偶有發現。在緊急故障停機后，一級缸解體均發現一級活塞故障如圖1。活塞體末端工藝孔螺塞移出，移出高度大于止點間隙（間隙標準為5±1mm）后出現撞缸現象，嚴重時活塞已撞出裂紋。為防止再次出現工藝孔螺塞移位情況，檢修單位在螺塞處增加固定孔，加裝防松緊定螺釘，如圖2。但螺塞依然有脫出現象，只是運行周期長了一些而已，解決不了根本問題。

圖1 螺塞移除Fig.1 Plug removal figure

圖2 螺塞增加防松緊定螺釘Fig.2 Plug with additional anti-loosening set screw

原因分析：

針對其中兩次較嚴重撞缸事故，對缸體內垢樣異物進行分析，結果類似，除有受損脫落的金屬外，還存在其他元素成分，具體如表2。

表2 缸體內垢樣異物分析數據Tab.2 Analysis data of foreign matter in the cylinder %

一級活塞體為鑄造筒形結構，材料QT42-10 球墨鑄鐵。具體結構如圖3，

圖3 一級故障活塞組件結構形式Fig.3 Structure form of class I fault piston assembly

整體鑄造筒形活塞具有便于加工及安裝的特點，但在鑄造清砂后須留有不可避免的鑄造工藝孔，工藝孔只能利用螺塞固定，雖然在安裝時螺塞已處于緊固狀態，但往復機在運行時交變載荷、往復慣性力下產生振動，同時輸送介質除主要氫氣外還含有硫化氫等酸性氣體，螺塞螺紋或緊定螺栓都受有侵蝕，另外因為活塞內部有空腔，受壓縮的高壓氣體泄漏到活塞體內部，在活塞向曲軸箱側運行時，螺塞端面壓力為一級吸氣壓力，而活塞內部為壓縮后的氣體壓力，對螺塞產生額外較大的軸向力，推動螺塞逐步松動甚至脫出。最大軸向力F計算如下：

F=?PS=（P2-P1）S=（3.16-1.095）×106×π/4×802×10-6=1.04×104N

式中 ?P——螺塞兩側的壓差；

P1——一級吸氣壓力；

P2——一級排氣壓力；

S——螺塞端面面積（螺塞外徑80 mm）。

1.2 一級缸體出現異常尖叫摩擦聲

C302 機組在運行中，一級缸體也有發生尖銳摩擦聲音，同時伴有缸體溫度及排氣溫度增加，緊急停車后，發現下部支撐環已移位，造成活塞體磨損及缸體拉毛事故，如圖4、圖5所示。

圖4 一級活塞體磨損Fig.4 Class I piston wear

圖5 一級缸體內鏡面拉毛Fig.5 Internal mirror pulling of class I cylinder

原因分析：

如圖3 活塞體結構圖，兩個支撐環安裝在活塞底部兩組支撐環槽內，支撐環只占活塞圓周的1/3（120°），支撐環材料為PEEK 工程塑料，每個支撐環都由兩個定位環定位。定位環用浸有防松劑的沉頭螺釘固定在活塞上。在安裝活塞時，要在活塞端面及氣缸蓋端面標出它的正確位置，且防止在調整止點間隙及連接十字頭與活塞桿時整體轉動[1]。

此種結構僅靠下部支撐環支撐整個活塞，活塞上部間隙較大，因此在運行時，活塞跳動較大，引起機組振動偏大。運行的介質具有一定腐蝕性，導致定位環上沉頭螺釘松動，使定位環滑出，此刻僅有活塞圓周1/3 的支撐環在活塞環槽內部移動，當錯開支撐部位時，引起活塞體與缸體發生接觸，出現尖銳摩擦異響。

2 一級活塞體改造及運行效果

2.1 活塞體改造成分體活塞

為避免整體活塞上的螺塞再次脫出造成撞缸事故，活塞體改造成分體活塞，即由前半活塞與后半活塞靠止口拼接而成，同時在制造過程中加強質量控制。首先確保每個零件的加工精度，然后編制裝配焊接組裝工藝，嚴格按工藝要求把好每一道工序的質量關[2]。活塞組件在安裝時，先初緊活塞螺母至兩半活塞靠死無間隙后，再將電加熱棒插入活塞桿加熱孔內，采取加熱方法使螺母旋轉31°達到預緊狀態。此種活塞分體結構從根本上消除了活塞體上設計工藝孔產生的螺塞部件，從而也消除了螺塞脫落造成的嚴重后果。另活塞體材料升級為QT600-3 球墨鑄鐵，提高活塞整體的剛度與強度，分體活塞結構見圖6。活塞外徑尺寸設計如下：

圖6 改造后的活塞體Fig.6 Updated pistons

計算活塞支撐面（即支撐環）與氣缸的徑向間隙s，氣缸按膨脹計算[3]如下：

s=αΔtD+s0=1.1×10-5×（135-40）/2×505 + 1

=1.3 mm

式中α——材 料 線 脹 系 數，QT600 鑄 鐵=1.1×10-5℃-1；

Δt——活塞與氣缸之間的溫度差，℃，可按氣體的吸、排氣溫度差的1/2 考慮；

D——一級氣缸內徑；

s0——按 動配合H7/f7 選取，根據氣缸徑505 mm，查表得約為1 mm。

為防止活塞與氣缸鏡面摩擦及支撐環磨損預留量，支撐環安裝后需高于活塞表面2.0 mm，因此得出活塞外徑D0：

D0=D-s-2.0×2=505-1.3-4.0=499.7 mm。

圓整為499.5 mm。

2.2 活塞體上支撐環部位改造

為避免再次發生活塞體及缸體鏡面摩擦的風險，對活塞體本身結構改造升級如下：

（1）支撐環的結構形式改為整圈開口且帶卸荷槽，避免產生背壓，提高其使用壽命[1]。支撐環改為整圈開口形式后，活塞包裹性較好，支撐環幾乎與整個氣缸鏡面圓周接觸，也避免了活塞體運行中振動產生的不穩定運動狀態。

（2）支撐環材質升級為潤滑性較好的聚酰亞胺材質。

（3）活塞上的支撐環槽去除了兩塊擋塊，可以避免活塞往復運動或介質對固定螺栓腐蝕引起擋塊脫落，造成活塞體與缸體內缸鏡面摩擦的風險。

計算支撐環相關尺寸：

計算支撐環寬度B0

根據 ?l+B0=B

及?l=B0?t

B0=B/（a?t+1）=100/[1.2×10-4×（135-28）+1]

=98.7 mm

式中a——材料線脹系數，聚酰亞胺=1.2×10-4℃-1；

?t——支撐環在運行期間與常溫安裝的溫度差，℃，運行溫度按排氣溫度考慮；

?l——支撐環熱膨脹量；

B——一級活塞支撐環槽寬度。

計算支撐環開口間隙?l

C+ ?l=L

?l=a?tC

?l=C=a?tL/（1+a?t）=D/（1+a?t）

=1.2×10-4×（135-28）×3.14×505/[1+1.2×10-4×（135-28）]

=20.1 mm

式中C——支撐環總長；

L——一級缸體內鏡面圓周長度。

采用同樣計算方法，同時考慮活塞熱膨脹量，計算出支撐環厚度為8 mm，最終得出支撐環尺寸為φ505 mm×φ489 mm×98.7 mm。

2.3 改造后機組運行效果

一級活塞結構經改造投入使用后，再未出現撞缸或其他雜音情況，大大延長了一級活塞的使用壽命，因一級缸問題引起的非計劃停機現象再未發生，成功地解決了困擾公司多年的難題。

3 結論

通過對設備結構及機組運行工況的了解，新氫壓縮機一級缸故障，原因主要是一級活塞體設計缺陷及運行工況引起：

（1）整體圓筒型鑄造活塞的螺塞脫出引起撞缸。

（2）支撐環結構設計不合理，不僅增大了機組運行振動，同時定位環松脫容易引起活塞與缸體摩擦。

經過對一級活塞體一系列的改造，將整體活塞改造成分體活塞，同時對支撐環結構形式變更，材質升級，最終解決了壓縮機一級缸故障率高的問題，提高了各部件的運行壽命及設備運行周期，降低了機組檢修次數，節約成本，大大縮減了維修費用；新氫壓縮機組投入應用后，設備運行良好，避免了機組非計劃停機檢修，確保了機組安全穩定運行，對加裂裝置安全穩定運行提供了有效的保障。