CO2壓縮機三級氣缸缸套頻繁磨損原因分析及處理措施

呂云輝， 王立明, 楊國策

(青海云天化國際化肥有限公司， 西寧 811600)

1 概況

2021年5月13日,青海云天化國際化肥有限公司(簡稱青海云天化)計劃性檢修化工裝置CO2壓縮機5#機，發現三級氣缸缸套磨損嚴重，于是更換5#機三級氣缸。2021年6月2日,計劃性檢修化工裝置CO2壓縮機1#機，發現三級氣缸缸套磨損嚴重，于是更換1#機三級氣缸。2021年12月,機組年度大修，發現1#機、5#機三級氣缸缸套磨損嚴重，其中:1#機水平磨損量為0.56～0.72 mm，垂直磨損量為0.88～1.88 mm；5#機水平磨損量為1.72～2.53 mm，垂直磨損量為0.68～1.45 mm(見圖1、圖2)。由圖1和圖2可以看出：除氣缸鏡面上部無磨痕外，其余部位(左側、右側及下部)均有明顯磨痕。1#機和5#機組運行僅0.5 a再次出現三級氣缸缸套嚴重磨損的情況，對機組長周期運行非常不利。因此，解決機組三級氣缸缸套頻繁磨損顯得尤為重要。

2 CO2壓縮機

2.1 工藝流程

合成氨裝置送來的CO2氣體(φ(CO2)≥98.5%)壓力為0.040 MPa,溫度為20～40 ℃。將其送入界區，通過CO2液滴分離器除去水分、加入鈍化空氣后至送入CO2壓縮機，經壓縮機五級壓縮至13.7～14.7 MPa,脫氫后送至尿素工段作為生產尿素的原料氣[1-2]。

2.2 工作原理

CO2壓縮機利用電動機驅動主軸旋轉，主軸的曲軸帶動連桿大頭做圓周運行，使連桿小頭帶動十字頭在滑道上做往復運行，十字頭又通過活塞桿帶動活塞在氣缸內做往復運行，經氣閥將氣體吸入并壓出氣缸，從而達到壓縮和輸送氣體的目的[3-4]。

2.3 設備簡介

青海云天化共5臺往復式壓縮機/活塞式壓縮機，其中一期有3臺，二期有2臺，型號分別為6MD-178/146(一期)、6MD-215/146(二期)，主電機型號為TK3500-20/2600,由濰坊市昌泰機械有限公司設計制造，設計參數見表1。該CO2壓縮機分五級壓縮，壓縮參數見表2。其中,第一級由2個氣缸組成，其余各級均為1個氣缸。壓縮機主要由機身(曲軸箱)、氣缸、連桿、十字頭、氣閥、填料及刮油環、中體、中間接筒、盤車機構、活塞桿及活塞等組成(見圖3)。氣缸缸套鑲嵌在氣缸中，缸套磨損無法使用時，只需更換缸套即可，節約了備件采購費用。

表1 CO2壓縮機設計參數

表2 CO2壓縮機壓縮參數

3 存在問題及原因分析

影響CO2壓縮機三級氣缸缸套頻繁磨損的因素較多，如進口分離器分離效果差導致缸體帶水嚴重、活塞環與缸套潤滑不良、設計缺陷等。根據對該機組近年來的檢修與分析，最后將分析重心集中到了以下3個方面，并逐一排查。

3.1 分離器分離效果較差

合成氨裝置分離器內的分離元件為絲網除沫器，直徑為2 000 mm，體積為16.7 m3。正常運行過程中進入分離器的CO2氣體帶水量較大(分離水質量流量為6～7 t/h)，氣體體積流量達33 000 m3/h，現設備內氣體流速約為3.4 m/s，絲網除沫器處流速約為3.47 m/s。根據HG/T 21618—1998 《絲網除沫器執行標準》計算，絲網除沫器的操作流速應為2.2～3.5 m/s，由此可見設備正常運行時介質流速已達到設計允許的最高流速。由于進入絲網除沫器的CO2氣體含水量較大，并且流速較高，造成絲網分離效率降低，部分水被帶至CO2壓縮機，從而影響CO2壓縮機安全穩定運行。經分析，機組在運行過程中，有38 L/h的水被帶入CO2壓縮機氣缸，對氣缸缸套磨損沖擊較大。因此氣缸缸套帶水嚴重是引起缸套磨損的主要原因之一。

3.2 潤滑不良

機組在運行過程中，潤滑不良會加大對氣缸缸體、活塞環、支撐環的磨損。根據現場注油情況可在一級南缸、北缸(均有3個注油孔)對缸體進行注油，二級、五級氣缸也有2個注油孔可以對缸體進行注油，唯獨三級、四級氣缸僅有1個注油孔對缸體進行注油，但是四級氣缸缸體較小，缸體磨損較小。三級氣缸缸體較大，1個注油孔明顯無法滿足氣缸缸體、活塞環、支撐環的潤滑。注油器設計每分鐘注油12滴，現場調整至15滴，但是氣缸缸體磨損情況并無明顯改善，因此可排除潤滑不良引起的磨損。

3.3 設計缺陷

3.3.1 氣缸缸體硬度不足

經現場實測，一級和五級氣缸缸體(缸套)硬度為HRC24～HRC27,缸套材質為合金鑄鐵JT25-47D，材質分析見表3。從表3可以看出：設計值與現場實測值差別較大。咨詢部分CO2壓縮機廠商，其缸套硬度均在HRC40～HRC50，因此青海云天化所采用的CO2壓縮機缸套硬度偏小。

表3 三級氣缸缸套化學成分

3.3.2 活塞體設計缺陷

CO2壓縮機三級活塞體材質為HT250，質量較大，運行過程中對氣缸下部鏡面磨損較大，活塞體自身磨損也較大，對活塞桿造成不良影響。活塞體支撐環在中間位置，并且只有1個，設計不合理(見圖4、圖5)。運行過程中活塞體在氣缸內的平衡度無法保障，機組運行不平穩。

3.3.3 活塞環材質選用不當

活塞環材質為HT250，硬度比氣缸缸壁鏡面硬度高10%～15%，更容易造成氣缸缸壁鏡面磨損，活塞環自身磨損也較大。

3.3.4 活塞環尺寸偏小

活塞環軸向和徑向尺寸設計偏小，活塞環寬度為9 mm，厚度為13.8 mm，耐磨性較差。

由以上分析可知，引起CO2壓縮機三級氣缸缸套頻繁磨損的因素主要是分離器分離效果較差導致氣缸帶水嚴重,以及活塞體、活塞環、支撐環設計存在缺陷。

4 改進措施

由于現場條件有限，因此只對分離器、活塞體、活塞環、支撐環進行改造。

4.1 分離器改造

在原設備基礎上對進口分布器和分離元件進行改造，改造后10 μm及以上的液滴達到100%分離。絲網除沫器改造為葉片式分離元件，采用新型分布器，降低氣體帶液量。分離工作原理為氣體、液體和固體混合物進入分離器，其流速降低，流動方向改變，混合物經過過濾元件，根據過濾元件精度，將大于元件孔隙的組分過濾下來，從而達到分離目的(見圖6)。2021年12月年度大修期間對分離器內件進行了改造，截止到2022年3月6日，該分離器已累計運行40 d，帶水體積流量由38 L/h降低至26 L/h，減少了12 L/h，改造效果明顯。

4.2 活塞體改進

4.2.1 活塞體支撐環設在活塞體兩側

活塞體支撐環設在活塞體兩側，有效長度由160 mm增加至180 mm(見圖7)。

4.2.2 活塞環分布在活塞體中間

改造前活塞環設計在活塞體兩側,將其改為分布在活塞體中間(見圖7)，材質更換為改性聚四氟乙烯，并填充石墨和碳纖維等。改造后活塞環的硬度低于氣缸缸套的硬度，不會對氣缸鏡面造成較大的磨損。活塞環軸向尺寸(寬度)由9 mm增加至12 mm，徑向尺寸(厚度)由13.8 mm增加至16 mm。

4.2.3 活塞體材質改造

活塞體材質由HT250改為ZL108，ZL108質量較輕，改造后活塞體質量約為改造前活塞體質量的1/3，并且經廠家技術人員核算滿足要求。

活塞端面最大壓差ΔP為:

ΔP=P2-P1

(1)

式中：P2為三級氣缸出口壓力，MPa；P1為三級氣缸進口壓力，MPa。

當量圓直徑Dd為:

(2)

式中：d2為活塞體外壁直徑，mm；d1為活塞體正面轂部直徑，mm；i為加強筋數。

活塞端面厚度δ為:

(3)

式中：[σω]為許用彎曲應力，MPa；δ1為鑄造偏差附加值，一般取4 mm。

端面中最大彎曲應力σω為:

(4)

活塞體轂部切應力τ為:

(5)

式中：D為活塞體外徑。

比壓q為:

(6)

式中：P為最大活塞力，kN；d4為活塞體背面轂部直徑，mm；d3為活塞體孔徑，mm。

改造后三級活塞體圓柱凸肩和活塞體轂部示意圖見圖8、圖9。

根據廠家提供的資料，以及查閱《活塞式壓縮機設計》，已知P1=0.9 MPa，P2=2.2 MPa，d1=200 mm,d2=365 mm,i=6,D=457,P=380 kN,d3=93 mm,d4=190 mm。將各參數代入式(1)～式(6)可知，ΔP=1.3 MPa，Dd=124.65 mm，δ=25.79 mm，σω=12.85 MPa，τ=13.16 MPa，q=17.63 MPa。鑄鋁活塞體許用彎曲應力[σω]≤20 MPa，鑄鋁活塞體轂部許用切應力[τ]≤25 MPa，因此鑄鋁活塞體安全可用。

5 結語

活塞體改造后，可以有效減小氣缸缸套磨損，延長使用周期，使活塞體在氣缸內的平衡度得以保障，保證活塞體平穩運行，有利于糾正活塞體竄動磨損活塞環和氣缸缸套鏡面，減小機組振動。非金屬活塞環硬度較低、自潤滑性好、摩擦因數較低、韌性優良，對氣缸缸套磨損較小，強度高、彈性和耐熱性較好、耐磨性優良。該改造延長了機組的運行周期，活塞體、氣缸、活塞環、支撐環至少使用8 000 h，同時減少了備件采購費用，節約了檢修人力資源。