壓縮機(jī)主軸瓦脫殼燒研及解決措施

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

0 引言

目前各省市化工工業(yè)園項目呈井噴式增長，各石化領(lǐng)域所配備的“大型工藝設(shè)備”應(yīng)具備必要的“穩(wěn)定性”及“安全性”，又成了維護(hù)整套石化工藝運(yùn)行的重中之重。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)作為石化工藝運(yùn)行中的核心設(shè)備，作為整套化工設(shè)備的動力源，壓縮機(jī)設(shè)計、安裝、檢修、維護(hù)過程中的些許疏忽將直接影響到下游化工產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)是一種通過“曲柄連桿結(jié)構(gòu)”，將電能轉(zhuǎn)化為氣體分子勢能的大型化工增壓設(shè)備，其能效的轉(zhuǎn)化率及運(yùn)行的平穩(wěn)性將直接影響到整套化工工藝的維護(hù)成本及經(jīng)濟(jì)效益。壓縮機(jī)作為電能的轉(zhuǎn)化媒介可將各類型的工藝氣體組分進(jìn)行二次增壓并通過輔助裝置傳送到各類型的化工反應(yīng)釜中，以滿足各類型化工裝置工藝反應(yīng)的生產(chǎn)需要。

1 情況簡述

1.1 現(xiàn)場運(yùn)行情況簡述

某石化公司為“增設(shè)二氧化碳流體系統(tǒng)輸送項目”配套的臥式M 型往復(fù)活塞壓縮機(jī)，此臺設(shè)備作為該項目化工反應(yīng)釜中的動力源，自投入工藝負(fù)載運(yùn)行后屢次出現(xiàn)壓縮機(jī)某列軸瓦溫度迅速躥升，進(jìn)而導(dǎo)致連鎖停機(jī)情況的發(fā)生。停機(jī)后整套工藝機(jī)組上、下游設(shè)備中的相關(guān)半成品原材料已經(jīng)全部報廢，相關(guān)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能直線下降，嚴(yán)重影響到整體化工工藝的穩(wěn)定性及設(shè)備使用的安全性，且由此帶來的間接經(jīng)濟(jì)影響無法預(yù)估。

1.2 壓縮機(jī)組主要設(shè)計參數(shù)

壓縮機(jī)為六列布置、水平安裝、雙作用四級壓縮、相關(guān)機(jī)組性能參數(shù)如下：01 進(jìn)氣壓力（Ps1）：0.140 MPa （A），02 進(jìn)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(jìn)氣壓力（Ps2）：1.14 MPa （A），04 進(jìn)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(jī) 轉(zhuǎn) 速：375 r/min、行程：280 mm、活塞速度3.5 m/s；標(biāo)態(tài)流量：11 310 Nm3/h、機(jī)組指示功率：1 712 kW、機(jī)組軸功率：1 808 kW；機(jī)組機(jī)械效率：95%、電機(jī)轉(zhuǎn)向：逆時針（從電機(jī)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(fù)慣性質(zhì)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(jù)現(xiàn)場中控室數(shù)據(jù)對壓縮機(jī)進(jìn)行理論復(fù)算，驗證壓縮機(jī)的實際受力情況：各級進(jìn)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(shù)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(jié)：依據(jù)上述壓縮機(jī)實際運(yùn)行中的受力情況，壓縮機(jī)投入工藝運(yùn)行后的綜合活塞力、氣體力、反向載荷等相關(guān)性能數(shù)據(jù)均未超出壓縮機(jī)組的額定載荷值，且依據(jù)現(xiàn)場各運(yùn)行工況進(jìn)行二次復(fù)算后可排除因工藝運(yùn)行參數(shù)突變（進(jìn)排氣壓力、進(jìn)排氣溫度、介質(zhì)組分等），進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)實際受力超過許用范圍的情況。若實際操作工況超出設(shè)計工況或頻繁緊急停機(jī)，會造成機(jī)組運(yùn)動部件受力超過額定值，近而產(chǎn)生燒瓦等情況。現(xiàn)場實際工況與額定工況對比可知，實際運(yùn)行工況基本與設(shè)計工況一致，不存在超壓運(yùn)行的情況，而且也不存在頻繁緊急停機(jī)的情況，因此基本可以排除操作原因而引發(fā)的燒瓦事故。

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

本機(jī)主軸瓦比壓計算過程及結(jié)果如下：

式中：Pmax為比壓；Rmax為該機(jī)型軸承最大支承反力（kgf）；本機(jī)型為2 500（kgf）；d為軸承內(nèi)徑（cm），本機(jī)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(jī)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(yùn)行工況，機(jī)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(jī)組主軸瓦比壓在材料許用值范圍內(nèi)，可滿足壓縮機(jī)滑動軸承的設(shè)計要求。

（3）軸系扭振分析。對曲軸部件、飛輪部件、電機(jī)主軸進(jìn)行建模分析軸系扭振。根據(jù)分析結(jié)果，各階固有頻率均能避開曲軸轉(zhuǎn)速頻率、電源頻率及旋轉(zhuǎn)磁場振蕩頻率的共振區(qū)間，不存在扭振風(fēng)險。若機(jī)組設(shè)計時不考慮扭振情況的發(fā)生，則機(jī)組在初始運(yùn)行時即會出現(xiàn)較大振動無法開車，而不是目前現(xiàn)場出現(xiàn)的瞬時振動增大的情況。因此，可以排除由于曲軸扭振導(dǎo)致軸瓦燒研的可能。另外現(xiàn)已委托第三方機(jī)構(gòu)，對曲軸扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行復(fù)算，進(jìn)一步驗證是否存在扭振問題。

（4）材質(zhì)或制造原因。本項調(diào)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(zhì)光譜分析、金相檢測、光譜檢測、探傷、力學(xué)性能及尺寸等檢測報告如下所示。根據(jù)相關(guān)檢測結(jié)果報告，曲軸的材質(zhì)性能高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，制造亦符合圖紙及技術(shù)要求，可排除質(zhì)量問題。

抗拉強(qiáng)度Rm：標(biāo)準(zhǔn)值≥685 MPa、實測值：711 MPa；屈服強(qiáng)度Rel：標(biāo)準(zhǔn)值≥490 MPa、實測值：526 MPa；斷后伸長率A：標(biāo)準(zhǔn)值≥15%、實測值：20%；斷面收縮率Z：標(biāo)準(zhǔn)值≥45%、實測值：54%；沖擊功AKV：標(biāo)準(zhǔn)值≥39 J、實測值：85 J。

壓縮機(jī)振動聯(lián)鎖停車后，為慎重起見決定對機(jī)組主軸瓦、連桿大頭瓦、曲軸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)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(jīng)分析討論認(rèn)為此類缺陷不至于導(dǎo)致壓縮機(jī)聯(lián)鎖動作停車。與此同時對壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行復(fù)查并未發(fā)現(xiàn)異常情況。

（5）安裝原因。本項調(diào)查的范圍：確定安裝過程是否存在問題。

機(jī)身水平超差、軸瓦間隙過小、曲軸與電機(jī)軸對中偏差過大等安裝問題都可能導(dǎo)致軸瓦的燒研。根據(jù)現(xiàn)場反饋的情況及安裝記錄數(shù)據(jù)，機(jī)組的水平、軸瓦的間隙等均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，故由于安裝原因?qū)е螺S瓦燒研的可能性較小。

（6）潤滑情況。如果供油壓力不足，將導(dǎo)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(fā)生熱膨脹，間隙消失，最終造成軸瓦與軸徑燒研。

根據(jù)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(guī)定的供油壓力0.35 MPa（未達(dá)到輔助油泵自啟壓力0.27 MPa），且油壓停機(jī)聯(lián)鎖值為0.2 MPa，正常情況不會導(dǎo)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(yùn)行對軸瓦的使用壽命將有一定影響，建議將供油壓力值調(diào)整值0.35～0.4 MPa，保證各潤滑點供油充足。

（7） 液擊。本項調(diào)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(dāng)壓縮機(jī)介質(zhì)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(jìn)而造成機(jī)組超載，導(dǎo)致燒瓦及運(yùn)動部件連接位置損壞。據(jù)現(xiàn)場反饋，在拆檢過程中，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)事故的6 列（二級）氣閥部位有明顯銹跡及水印痕，故應(yīng)不排除發(fā)生過液擊的可能。另外，根據(jù)機(jī)組的振動曲線，機(jī)組不定期的會出現(xiàn)振動值增大的現(xiàn)象，此種情況也完全符合氣缸內(nèi)有少量液體發(fā)生撞擊的特征。通過核對額定工況的介質(zhì)組分，并重新采用HYSYS 模擬計算，確認(rèn)在設(shè)計工況下工藝介質(zhì)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(fā)生變化，入口的工藝介質(zhì)是否帶液，進(jìn)一步排查是否發(fā)生過液擊的可能。

（8）機(jī)組運(yùn)行環(huán)境改變。該壓縮機(jī)投入工藝運(yùn)行后出現(xiàn)機(jī)身振動超差又瞬間回落的現(xiàn)象（無規(guī)律狀態(tài)）。運(yùn)行至8 月底出現(xiàn)燒瓦情況后，曲軸返廠檢測時發(fā)現(xiàn)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(jīng)我公司評估后認(rèn)為六拐可采用通過“激光熔敷”或“磨軸徑”的方式進(jìn)行修復(fù)處理，但三軸、四軸無法進(jìn)行強(qiáng)制校直修復(fù)，且此曲軸存在隱患僅可短期運(yùn)行。因修復(fù)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(jīng)雙方商議后采用“激光熔敷”的方法對此曲軸進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)當(dāng)時曲軸損傷情況分析為主電機(jī)在運(yùn)行過程中基礎(chǔ)相對位置發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行期間壓縮機(jī)基礎(chǔ)與電機(jī)基礎(chǔ)存在相對落差，造成曲軸軸線與電機(jī)軸線對中數(shù)值超差，壓縮機(jī)長期在此情況下運(yùn)行，將產(chǎn)生較大附加偏心力導(dǎo)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(xiàn)場回裝時復(fù)檢曲軸與電機(jī)對中情況，發(fā)現(xiàn)電機(jī)下沉0.12～0.15 mm，印證了前期結(jié)論。故可推斷由于運(yùn)行過程中電機(jī)位置的異常變化導(dǎo)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(fù)后在現(xiàn)場回裝時，測量電機(jī)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(jī)曲軸軸向定位間隙約為0.5 mm，此種情況將導(dǎo)致壓縮機(jī)在往復(fù)運(yùn)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(yùn)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(yán)重時將導(dǎo)致燒瓦。所以下次安裝時應(yīng)重新調(diào)整定位盤厚度，避免發(fā)生設(shè)備故障，目前已將定位盤發(fā)至現(xiàn)場，但厚度有一定余量，安裝時根據(jù)實際數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

綜上所述，造成壓縮機(jī)主軸瓦脫殼燒研的根本原因為壓縮機(jī)組運(yùn)行環(huán)境改變—電機(jī)基礎(chǔ)下沉，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)軸與壓縮機(jī)軸的對中數(shù)據(jù)已嚴(yán)重偏離設(shè)計最大許用值，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)實際運(yùn)行時曲軸并未按應(yīng)有的運(yùn)動軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，主軸瓦隙不能正常形成潤滑冷卻的油膜甚至?xí)霈F(xiàn)無油干磨，故主軸瓦在此運(yùn)行環(huán)境會出現(xiàn)脫殼燒研的情況發(fā)生。

3 解決方案

此類故障已直接縮短了壓縮機(jī)的使用年限，為從根本上解決問題。已對壓縮機(jī)的主要運(yùn)行部件進(jìn)行逐項檢查，并經(jīng)多方協(xié)商后已更換壓縮機(jī)的受損曲軸部件、受損連桿部件，并將壓縮機(jī)基礎(chǔ)受力面、電機(jī)基礎(chǔ)受力面重新刨除后進(jìn)行二次灌漿養(yǎng)生以確保壓縮機(jī)基礎(chǔ)不再出現(xiàn)下沉?，F(xiàn)已調(diào)整電機(jī)高度，重新“對中”并滿足機(jī)組使用說明書中的相關(guān)技術(shù)要求，另根據(jù)現(xiàn)場情況，另要求每運(yùn)行6 個月重新檢測“對中”值，避免因電機(jī)位置異常而導(dǎo)致壓縮機(jī)組故障。目前壓縮機(jī)已經(jīng)投運(yùn)工藝工況條件平穩(wěn)運(yùn)行，所有相關(guān)參數(shù)均可滿足使用要求。

與此同時對維修過程中發(fā)現(xiàn)的其他問題也均逐項解決并將相關(guān)關(guān)鍵點進(jìn)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(shè)現(xiàn)場機(jī)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(nèi)禁止使用對講機(jī)、手機(jī)等通訊設(shè)備。在現(xiàn)場應(yīng)在合適位置對測振儀表電纜進(jìn)行固定，避免外界環(huán)境干擾，保證測量精確度。增設(shè)振動聯(lián)鎖停機(jī)延時功能，將振動聯(lián)鎖設(shè)置為延時2 秒停機(jī)，進(jìn)一步避免由干擾信號導(dǎo)致的機(jī)組誤聯(lián)鎖問題。（2） 壓縮機(jī)開車前請將機(jī)身油池加熱器抽出清洗，避免加熱器內(nèi)部有結(jié)焦物污染油品質(zhì)量。（3）調(diào)整定位盤厚度，避免電機(jī)位置異常而導(dǎo)致壓縮機(jī)組故障。（4） 對1-6 列十字頭與連桿油孔進(jìn)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(nèi)，排除安全隱患。（5）檢測機(jī)組上游工藝系統(tǒng)，并核實工藝介質(zhì)組分避免存在液擊的隱患。（6）至少每三個月對潤滑油進(jìn)行取樣檢測，如果潤滑油中的雜質(zhì)顆粒含量超則應(yīng)立即更換。

4 結(jié)語

針對此某石化廠二氧化碳壓縮機(jī)頻繁出現(xiàn)主軸瓦脫殼燒研的故障，經(jīng)雙方幾個月來的多方面事故分析及綜合評定，現(xiàn)已從根本上解決了現(xiàn)場的實際問題。目前已經(jīng)將全部的壓縮機(jī)注意事項及后續(xù)的問題分析報告進(jìn)行多方溝通交底，此類故障再無發(fā)生?！扒Ю镏?，毀于蟻穴”，小的疏忽往往會導(dǎo)致不可預(yù)見的大問題，進(jìn)而影響整個工藝流程的經(jīng)濟(jì)效益。