氧氣壓縮機活塞桿溫度高故障分析及改造

帥 輝，洪 煥，劉 杰

（杭州杭氧壓縮機有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

氧氣壓縮機是對氧氣進行采集和輸送的主要設備[1]，為保證能源采集質量的進一步提高，需要重視氧氣壓縮機運行的穩定性。本文主要針對活塞力12 t 的氧氣壓縮機在長時間工作后活塞桿過熱進行故障分析，針對故障原因提出相應的改造方案，減少壓縮機的非計劃停工，保證壓縮機正常生產。

1 故障壓縮機主要結構

氧氣壓縮機采用活塞環對活塞與氣缸之間的縫隙進行密封，采用填料密封對活塞桿與氣缸之間的縫隙進行密封。通過貼合氣缸鏡面和活塞環面可以防止軸向氣體的泄漏，通過貼合環槽和活塞斷面可以防止徑向氣體的泄漏[2]。

（1）填料：填料盒的密封原理主要是依靠氣體的壓力差，采用無油潤滑方式，冷卻水在填料盒的外部流通，填料盒內部有用來密封的密封圈[3]。

（2）活塞：共三級活塞，一、二級為分體式鑄鋁材料，三級為鑄銅材料。活塞主要由4 部分組成，分別是起密封作用的密封環，支撐環具有支撐作用，活塞桿的主要作用是傳動，活塞螺母具有固定作用[4]。活塞桿和氣缸之間為無油潤滑[5]。采用填充聚四氟乙烯塑料作為活塞桿和支承環的密封材料。同時也有采用迷宮密封的活塞，活塞桿的鍛造采用的是30Cr13 材料，鍛造完成后還需要進行調質處理，利用硬化處理加強活塞桿的強度，這樣不僅可以增加活塞桿的耐磨性，還可以增加活塞桿的機械性能[6]。

（3）氣缸：氧氣壓縮機的氣缸是壓縮機重要的組成部分，干式襯套布置在氣缸的內側，活塞的兩頭設計有可作為密封裝置的缸蓋和缸座。氣缸內部設計有能夠通過循環水冷卻的水層間嵌入。活塞的一側設置支承部件，用以支承氣缸的平穩度[7]。

2 故障現象

（1）氧氣壓縮機在工作過程中，如果活塞桿的溫度過高，設備會出現聯鎖報警，甚至會引起氧壓機的爆燃。停機檢查發現有比較清晰的劃痕出現在活塞桿表面。

（2）將設備的填料盒和活塞拆卸下來檢修，發現填料環存在比較嚴重的磨損現象。

3 原因分析

由活塞式壓縮機的工作原理可知，氣體在增壓的同時溫度也會上升。增壓增溫的氣體通過在氣缸水冷卻夾套和級間冷卻器進行冷卻，冷卻原理是氣體與冷卻水進行熱交換。循環冷卻水的溫度全年低于28 ℃，在設計工藝指標范圍內。當冷卻后的氣體溫度過高時，首先需要考慮的問題是冷卻水與氣體的熱交換能力差，水管中的水不能帶走足夠多的氣體熱量。通過設備現場實際情況檢查分析，氧氣壓縮機各級進排氣溫度過高是由于夾套冷卻水管路設計布置不當造成的。

實際設置是將各級氣缸冷卻水管路串聯，導致一級氣缸夾套的冷卻水進水為一、二級間冷卻器的排水，溫度高達45 ℃，不僅氣缸夾套的冷卻能力大大降低，同時也極易導致結垢，進一步削弱了熱交換能力。一級氣缸的高溫對進氣的加熱作用導致了一級進氣溫度超高。二、三級氣缸進氣溫度過高則是由于一、二級排氣溫度高，超過了級間冷卻器的冷卻設計能力造成的。原設計為獨立清水冷卻，實際使用循環冷卻水，由于循環冷卻水回水總管有背壓，導致進水與回水壓差小，水的流速過小，冷卻能力降低。

該壓縮機活塞桿填料由1 組節流環、4 組中間主密封環和1組漏氣密封環組成。所有環均為三剖分結構，每個環都用兩道彈簧箍緊在一起。節流環內表面無迷宮密封槽，與活塞桿間隙配合0.07 mm，蓋側端面用彈簧壓實，且有0.25 mm 的間隙。

中間4 組主密封環使用迷宮密封槽，與活塞桿間隙配合0.07 mm，蓋側端面用彈簧壓實，且有0.25 mm 的間隙。

漏氣密封環無迷宮密封槽，內側設置一圈小孔，使泄漏的氣體返回到壓縮機的進口處，利用兩道彈簧使漏氣密封環抱緊在活塞桿上，但徑向切口處有2 mm 的補償量，軸向無補償空間，運行中由于材料受熱膨脹，漏氣密封環軸向極易阻滯，使漏氣密封環不能與活塞桿正常箍緊，徑向磨損得不到補償，導致漏氣密封環偏磨、間隙變大，高溫氧氣的泄漏量隨之加大，使活塞桿溫度升高。

綜上分析，冷卻水管路接反、漏氣密封環間隙配合不當、及填料冷卻不充分是造成活塞桿溫度過高的原因。

4 改造方案

根據故障分析結果，更正冷卻水管路和調整漏氣密封環間隙后，決定同時改造壓縮機的填料（圖1）。

圖1 改造后的壓縮機

（1）對進水口的位置進行重新設計。原進水口設計在填料法蘭上，新增進水口需要重新選擇合適的位置。在原來的冷卻系統中新增一路輔助冷卻水。實施方案如下：填料法蘭軸側新增壓蓋與密封盒，為標準間隙配合，刮水環布置在兩者之間。刮水槽、集水道和冷卻水進口設計在填料法蘭上，填料裝復壓縮機之后，新增密封盒和活塞桿將填料法蘭徑向空隙圍成一圈，形成一道環形腔，此腔可以連通進水道和集水道。將集水道設計在填料法蘭的軸側，利用新增密封盒和填料法蘭形成一道密閉的空腔。

（2）當壓縮機和冷卻系統運行時，需要保證輔助冷卻水道也在同步運行，具體的方案是：將輔助冷卻水注入進水道，注入的冷卻水要有壓差，冷卻水沿著進水道流動，在噴水小孔的位置噴灑到活塞桿表面，通過這種方式對活塞桿進行冷卻，剩余的冷卻水沿著管道繼續向下流，最后通過集水道從填料中流出。

（3）針對刮水槽的設計，刮水槽的主要作用是防止氣缸進入冷卻水，針對刮水環的設計，主要是為了防止冷卻水流出填料外部，刮水環和集水道主要是基于密封盒和壓蓋進行設計。

（4）刮水槽的密封設計。刮水槽設計在填料法蘭上，采用的是迷宮封存技術。該技術的主要原理是，將多個曲折的小室設計在固定件和運動件之間，將多個環形密封齒槽依次排列到運動件周圍，這樣會有節流間隙和膨脹空腔出現在相鄰的齒槽之間，被密封的冷卻水在流動過程中，經過這些齒槽時產生節流效應，從而達到密封效果。

（5）根據迷宮原理設計密封裝置，且這樣的密封方式是非接觸式，不僅可以有效防止循環水對工藝氣體造成污染，還因為各零件之間不存在接觸，避免因摩擦而產生的密封環碎屑。最主要的是密封性能不會受到固體顆粒的影響，可靠性高。

5 改造效果驗證

氧氣壓縮機改造后，經過大量實驗對改造方案進行驗證，結合大量的實驗數據后得出，為了保證活塞桿表面不會出現65 ℃以上的溫度，需要保證冷卻水的流速保持在10～70 kg/h。不同的活塞桿直徑需要的冷卻水流速是不同的，需要經過具體的計算才能得出。

本文在實驗時采用的活塞桿的直徑為80 mm，將冷卻水的進水壓力控制在0.3 MPa，進水口冷卻水溫度保持在28 ℃左右。

經過實驗和公式計算得出，想要保證活塞桿的溫度始終不超過65 ℃，需要保證輔助冷卻水的流速始終保持在20 kg/h，因為冷卻水在對活塞桿冷卻的過程中，溫度會逐漸升高，為了保證冷卻水的溫度變化，需要考慮冷卻水的冷卻系數。經過大量的實驗數據得出，冷卻系數為1.8 倍時的冷卻效果最高。因此，為了保證冷卻水對活塞桿的冷卻效果，需要保證冷卻水的流速保持在36 kg/h。本文的設計方案采用噴水小孔對活塞桿進行冷卻，需要設計合適的噴水孔直徑才能保證活塞桿的冷卻效果，經過多次的實驗證明，當冷卻小孔的直徑為2 mm 時，對活塞桿的冷卻效果最好。

經過多次實驗，對活塞桿溫度進行實時檢測，最終的結果顯示，改造后的氧氣壓縮機可以保證活塞桿的溫度始終保持在65 ℃以下，驗證了改造方案可行，可以有效解決活塞桿溫度過高的問題。

6 總結

為了解決氧氣壓縮機活塞桿溫度過高的問題，首先對氧氣壓縮機的基本結構進行介紹，根據活塞桿在溫度過高后的故障表現，分析可能造成活塞桿溫度過高的原因，針對這些原因，設計氧氣壓縮機填料改造方案，利用迷宮封存技術設計壓縮機刮水槽和填料小孔冷卻結構，通過控制冷卻水的溫度和流速，從而達到對活塞桿進行降溫的作用。最后對改造后的氧氣壓縮機進行實驗，實驗結果表明改造成功。希望本文的改造可以為氧氣壓縮機提供一些設計思路。