壓縮機主軸瓦脫殼燒研及解決措施

胡波，王國鵬，柴卓，徐建（沈陽遠大壓縮機有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

目前各省市化工工業園項目呈井噴式增長，各石化領域所配備的“大型工藝設備”應具備必要的“穩定性”及“安全性”，又成了維護整套石化工藝運行的重中之重。往復活塞式壓縮機作為石化工藝運行中的核心設備，作為整套化工設備的動力源，壓縮機設計、安裝、檢修、維護過程中的些許疏忽將直接影響到下游化工產品的經濟效益。

往復活塞式壓縮機是一種通過“曲柄連桿結構”，將電能轉化為氣體分子勢能的大型化工增壓設備，其能效的轉化率及運行的平穩性將直接影響到整套化工工藝的維護成本及經濟效益。壓縮機作為電能的轉化媒介可將各類型的工藝氣體組分進行二次增壓并通過輔助裝置傳送到各類型的化工反應釜中，以滿足各類型化工裝置工藝反應的生產需要。

1 情況簡述

1.1 現場運行情況簡述

某石化公司為“增設二氧化碳流體系統輸送項目”配套的臥式M 型往復活塞壓縮機，此臺設備作為該項目化工反應釜中的動力源，自投入工藝負載運行后屢次出現壓縮機某列軸瓦溫度迅速躥升，進而導致連鎖停機情況的發生。停機后整套工藝機組上、下游設備中的相關半成品原材料已經全部報廢，相關經濟產能直線下降，嚴重影響到整體化工工藝的穩定性及設備使用的安全性，且由此帶來的間接經濟影響無法預估。

1.2 壓縮機組主要設計參數

壓縮機為六列布置、水平安裝、雙作用四級壓縮、相關機組性能參數如下：01 進氣壓力（Ps1）：0.140 MPa （A），02 進氣壓力（Ps2）：0.527 MPa （A）；01 排氣壓力（Pd1）：0.527 MPa （A），02 排 氣 壓 力（Pd2）：1.14 MPa （A）；03 進氣壓力（Ps2）：1.14 MPa （A），04 進氣壓力（Ps2）：2.52 MPa （A）；03 排 氣 壓 力（Pd2）：2.52 MPa （A），04 排 氣 壓 力（Pd2）：5.40 MPa （A）；壓 縮 機 轉 速：375 r/min、行程：280 mm、活塞速度3.5 m/s；標態流量：11 310 Nm3/h、機組指示功率：1 712 kW、機組軸功率：1 808 kW；機組機械效率：95%、電機轉向：逆時針（從電機端視之）；各級缸徑：φ710 mm、φ580 mm、φ400 mm 、φ270 mm；止點間隙：01-8±0.8、8±0.8 mm、02-4±0.4、4±0.4 mm； 03-14±1.0、14±1.0 mm、04-7±0.7、7±0.7 mm；往復慣性質量：連桿部件168.6 kg、十字頭部件：190.6 kg。

2 主軸瓦脫殼燒研原因分析

（1）依據現場中控室數據對壓縮機進行理論復算，驗證壓縮機的實際受力情況：各級進氣壓力MPa （A）：一級 （Ps1）1.6、二級 （Ps2）6.1、三級 （Ps3）12.8、四級（Ps4）27；各級排氣壓力MPa （A）：一級 （Pd1）6.1、二級（Pd2）12.8、三級 （Pd3）27、四級 （Pd4）52；氣缸工作類型[-]：雙作用，雙作用，雙作用，雙作用；各級氣缸數量[-]：一級-3、二級-1、三級-1、四級-1；各級工作列號[-]：一級-135、二級-2、三級-6、四級-4；各級許用極限：氣體力一級400 kN、二級400 kN、三級400 kN、四級400 kN；各級實際受力：氣體力一級214 kN、二級231 kN、三級228 kN、四級189 kN；各級許用極限：活塞力一級320 kN、二級320 kN、三級320 kN、四級320 kN；各級實際極限：活塞力一級129 kN、二級207 kN、三級205 kN、四級145 kN；實際反向角167°，171°，174°，172°。

小結：依據上述壓縮機實際運行中的受力情況，壓縮機投入工藝運行后的綜合活塞力、氣體力、反向載荷等相關性能數據均未超出壓縮機組的額定載荷值，且依據現場各運行工況進行二次復算后可排除因工藝運行參數突變（進排氣壓力、進排氣溫度、介質組分等），進而導致壓縮機實際受力超過許用范圍的情況。若實際操作工況超出設計工況或頻繁緊急停機，會造成機組運動部件受力超過額定值，近而產生燒瓦等情況。現場實際工況與額定工況對比可知，實際運行工況基本與設計工況一致，不存在超壓運行的情況，而且也不存在頻繁緊急停機的情況，因此基本可以排除操作原因而引發的燒瓦事故。

（2） 壓縮機主軸瓦比壓復算：該主軸瓦的材料為15/ZSnSb11Cu6，是大推力壓縮機常用軸瓦材料，依據中國石化出版社出版的《滑動軸承故障診斷實用技術》中的相關說明，對重載、沖擊場合的錫基軸承比壓規定為20 MPa，考慮到機組的運行可靠性，設計時已要求軸瓦比壓值不大于12 MPa。

本機主軸瓦比壓計算過程及結果如下：

式中：Pmax為比壓；Rmax為該機型軸承最大支承反力（kgf）；本機型為2 500（kgf）；d為軸承內徑（cm），本機型為24（cm）；b′為軸承計算寬度（cm），對于薄壁瓦b′=b,b為軸承寬度（cm），本機型為13（cm）。

通過上述公式計算可得Pmax=8 kgf/cm2=8.01 MPa<12 MPa。

按照實際運行工況，機組最大活塞力為2 500 kgf，計算軸瓦實際比壓8.01 MPa。

因此，該機組主軸瓦比壓在材料許用值范圍內，可滿足壓縮機滑動軸承的設計要求。

（3）軸系扭振分析。對曲軸部件、飛輪部件、電機主軸進行建模分析軸系扭振。根據分析結果，各階固有頻率均能避開曲軸轉速頻率、電源頻率及旋轉磁場振蕩頻率的共振區間，不存在扭振風險。若機組設計時不考慮扭振情況的發生，則機組在初始運行時即會出現較大振動無法開車，而不是目前現場出現的瞬時振動增大的情況。因此，可以排除由于曲軸扭振導致軸瓦燒研的可能。另外現已委托第三方機構，對曲軸扭轉振動進行復算，進一步驗證是否存在扭振問題。

（4）材質或制造原因。本項調查的范圍：確定實際加工制造過程中是否存在問題：曲軸材質光譜分析、金相檢測、光譜檢測、探傷、力學性能及尺寸等檢測報告如下所示。根據相關檢測結果報告，曲軸的材質性能高于標準要求值，制造亦符合圖紙及技術要求，可排除質量問題。

抗拉強度Rm：標準值≥685 MPa、實測值：711 MPa；屈服強度Rel：標準值≥490 MPa、實測值：526 MPa；斷后伸長率A：標準值≥15%、實測值：20%；斷面收縮率Z：標準值≥45%、實測值：54%；沖擊功AKV：標準值≥39 J、實測值：85 J。

壓縮機振動聯鎖停車后，為慎重起見決定對機組主軸瓦、連桿大頭瓦、曲軸進行檢查，發現4 副主軸瓦下瓦，六拐拐徑與曲柄銷過度處的圓角存有局部缺陷。經分析討論認為此類缺陷不至于導致壓縮機聯鎖動作停車。與此同時對壓縮機的運行參數進行復查并未發現異常情況。

（5）安裝原因。本項調查的范圍：確定安裝過程是否存在問題。

機身水平超差、軸瓦間隙過小、曲軸與電機軸對中偏差過大等安裝問題都可能導致軸瓦的燒研。根據現場反饋的情況及安裝記錄數據，機組的水平、軸瓦的間隙等均在技術要求范圍內，故由于安裝原因導致軸瓦燒研的可能性較小。

（6）潤滑情況。如果供油壓力不足，將導致潤滑油膜壓力不夠、軸瓦潤滑不良，軸瓦與曲軸摩擦熱量急劇升高，軸瓦發生熱膨脹，間隙消失，最終造成軸瓦與軸徑燒研。

根據潤滑油壓力記錄曲線，8 月31 日故障時油壓最低壓力為0.284 MPa，低于規定的供油壓力0.35 MPa（未達到輔助油泵自啟壓力0.27 MPa），且油壓停機聯鎖值為0.2 MPa，正常情況不會導致軸瓦燒研。但由于燒研的六軸屬于供油管線的末端，該位置實際油壓將低于0.284 MPa，長期運行對軸瓦的使用壽命將有一定影響，建議將供油壓力值調整值0.35～0.4 MPa，保證各潤滑點供油充足。

（7） 液擊。本項調查的范圍：判斷軸瓦燒研是否為液擊原因造成。

由于液體不可壓縮的特性，當壓縮機介質帶液量過大時，液體無法被工藝氣及時帶出氣缸，就會造成液擊進而造成機組超載，導致燒瓦及運動部件連接位置損壞。據現場反饋，在拆檢過程中，發現出現事故的6 列（二級）氣閥部位有明顯銹跡及水印痕，故應不排除發生過液擊的可能。另外，根據機組的振動曲線，機組不定期的會出現振動值增大的現象，此種情況也完全符合氣缸內有少量液體發生撞擊的特征。通過核對額定工況的介質組分，并重新采用HYSYS 模擬計算，確認在設計工況下工藝介質中并不帶液，壓縮過程也不會有液析出。因此，需貴公司核實操作工藝是否發生變化，入口的工藝介質是否帶液，進一步排查是否發生過液擊的可能。

（8）機組運行環境改變。該壓縮機投入工藝運行后出現機身振動超差又瞬間回落的現象（無規律狀態）。運行至8 月底出現燒瓦情況后，曲軸返廠檢測時發現三軸、四軸存在彎曲0.16 mm，六拐平行超差近0.2 mm 的情況。經我公司評估后認為六拐可采用通過“激光熔敷”或“磨軸徑”的方式進行修復處理，但三軸、四軸無法進行強制校直修復，且此曲軸存在隱患僅可短期運行。因修復周期緊張且采用“磨軸徑”方法時間較長且不便于配件管理（磨軸后主軸瓦與連桿大頭瓦不能通用），后經雙方商議后采用“激光熔敷”的方法對此曲軸進行修復。根據當時曲軸損傷情況分析為主電機在運行過程中基礎相對位置發生變化，進而導致機組在運行期間壓縮機基礎與電機基礎存在相對落差，造成曲軸軸線與電機軸線對中數值超差，壓縮機長期在此情況下運行，將產生較大附加偏心力導致曲軸擺動并撞擊主軸瓦和連桿大頭瓦，造成曲軸變形。9 月底現場回裝時復檢曲軸與電機對中情況，發現電機下沉0.12～0.15 mm，印證了前期結論。故可推斷由于運行過程中電機位置的異常變化導致了曲軸受力變形從而造成燒瓦的可能性較大。另9 月底曲軸修復后在現場回裝時，測量電機軸伸端距飛輪端面距離約為32 mm，但定位盤厚度為30 mm。由于壓縮機曲軸軸向定位間隙約為0.5 mm，此種情況將導致壓縮機在往復運行中曲軸受到一定的拉力作用，造成曲軸定位瓦端面在長期運行中承受擠壓力，致使定位瓦溫度升高，影響軸瓦的使用壽命，嚴重時將導致燒瓦。所以下次安裝時應重新調整定位盤厚度，避免發生設備故障，目前已將定位盤發至現場，但厚度有一定余量，安裝時根據實際數據進行調整。

綜上所述，造成壓縮機主軸瓦脫殼燒研的根本原因為壓縮機組運行環境改變—電機基礎下沉，進而導致電機軸與壓縮機軸的對中數據已嚴重偏離設計最大許用值，進而導致壓縮機實際運行時曲軸并未按應有的運動軌跡進行旋轉運動，主軸瓦隙不能正常形成潤滑冷卻的油膜甚至會出現無油干磨，故主軸瓦在此運行環境會出現脫殼燒研的情況發生。

3 解決方案

此類故障已直接縮短了壓縮機的使用年限，為從根本上解決問題。已對壓縮機的主要運行部件進行逐項檢查，并經多方協商后已更換壓縮機的受損曲軸部件、受損連桿部件，并將壓縮機基礎受力面、電機基礎受力面重新刨除后進行二次灌漿養生以確保壓縮機基礎不再出現下沉。現已調整電機高度，重新“對中”并滿足機組使用說明書中的相關技術要求，另根據現場情況，另要求每運行6 個月重新檢測“對中”值，避免因電機位置異常而導致壓縮機組故障。目前壓縮機已經投運工藝工況條件平穩運行，所有相關參數均可滿足使用要求。

與此同時對維修過程中發現的其他問題也均逐項解決并將相關關鍵點進行對接：（1）為了消除干擾信號造成振動檢測儀表誤報警，我公司將增設現場機組測振儀表屏蔽罩。但此屏蔽罩只能對干擾信號起到一定的消減作用，不能完全屏蔽，故仍要求在振動變送器2 m 范圍內禁止使用對講機、手機等通訊設備。在現場應在合適位置對測振儀表電纜進行固定，避免外界環境干擾，保證測量精確度。增設振動聯鎖停機延時功能，將振動聯鎖設置為延時2 秒停機，進一步避免由干擾信號導致的機組誤聯鎖問題。（2） 壓縮機開車前請將機身油池加熱器抽出清洗，避免加熱器內部有結焦物污染油品質量。（3）調整定位盤厚度，避免電機位置異常而導致壓縮機組故障。（4） 對1-6 列十字頭與連桿油孔進行通透清潔處理，防止之前燒瓦脫落的鎢金等殘留在油孔內，排除安全隱患。（5）檢測機組上游工藝系統，并核實工藝介質組分避免存在液擊的隱患。（6）至少每三個月對潤滑油進行取樣檢測，如果潤滑油中的雜質顆粒含量超則應立即更換。

4 結語

針對此某石化廠二氧化碳壓縮機頻繁出現主軸瓦脫殼燒研的故障，經雙方幾個月來的多方面事故分析及綜合評定，現已從根本上解決了現場的實際問題。目前已經將全部的壓縮機注意事項及后續的問題分析報告進行多方溝通交底，此類故障再無發生。“千里之堤，毀于蟻穴”，小的疏忽往往會導致不可預見的大問題，進而影響整個工藝流程的經濟效益。