迷宫活塞压缩机级间压力异常升高原因分析及改进措施

发布时间：2024-03-19

张书波

（中国石油大庆石化公司化工二厂）

摘　要：通过一起迷宫活塞压缩机级间压力异常升高、末级排气流量降低的故障实例，详细分析了该类压缩机出现这种故障的各种原因可能性，并重点分析了导致迷宫活塞与气缸磨损的根源所在，指出了活塞杆导向轴承处的润滑不足问题，临末结合设备实际运行情况，给出了合理有效地改进措施，为该类压缩机的设计、选型和日常维护提供了参考经验。

关键词：迷宫活塞；压缩机；导向轴承；润滑

1　引言

中国石油大庆石化公司化工二厂5000t/a己烯-1装置采用乙烯三聚合成己烯-1技术。其关键设备C-201乙烯压缩机，结构为迷宫活塞式往复压缩机，具有无油润滑、磨损量小、不污染介质等优点。随着生产的进行，该压缩机出现了级间压力异常升高问题，导致一级排气安全阀频繁起跳，末级排气流量减少，严重影响了装置的正常生产。

2　C-201乙烯压缩机简介

己烯-1装置C-201乙烯压缩机为国内某厂生产，型号为2D-140MG-1.24/12-55，两列两级迷宫活塞式往复压缩机，立式安装，气缸为无油润滑，水冷，双作用。工艺介质为乙烯，由1.20MPa（G）压缩至5.50MPa（G），排气量（吸入状态）为1.24m³/min，单层平面布置，其基本结构如图1所示。

该压缩机具有2个气缸，均为双作用，进、排气口为侧进侧出，在气缸内壁上开有迷宫槽。活塞为迷宫活塞，外壁上开有迷宫槽，活塞与气缸不存在摩擦，无需润滑，保证了工艺介质的洁净。

活塞与气缸的密封依靠迷宫槽对气体的节流来达到密封作用。活塞杆与气缸底部的密封采用迷宫式填料密封，用来密封气缸中的高压气体沿活塞杆向下泄漏，材质为石墨。

该压缩机在活塞杆中间位置设置有导向轴承，对活塞与活塞杆的运动进行预导向，防止活塞与活塞杆发生径向偏移。导向轴承与活塞杆的润滑采用飞溅润滑方式，由活塞杆运动时带上去的润滑油润滑。在导向轴承的上端设置有刮油环，用来刮下黏附在活塞杆上的润滑油，使活塞杆带上去的润滑油可以返回压缩机底部油箱。

3　级间压力异常升高问题说明

该压缩机一级排气压力正常为2.64MPa，安全阀起跳压力为2.85MPa。发生故障时一级排气压力异常涨到2.82~2.90MPa之间，一级排气安全阀频繁起跳，末级排气量减少。该压缩机原设计排气量在1280kg/h，发生故障时，实际流量只能达到890kg/h，已经不能满足正常生产需要。工厂起初怀疑是气阀泄漏，但是更换气阀后没有好转。为了维持生产，工厂临时采取了提高一级进气压力的措施，这样对排气量有所提升，但是加剧了级间压力的升高，安全阀一直起跳，并且逼近了一级排气缓冲罐的设计压力3.0MPa，被迫停工对该压缩机进行检修。

4　级间压力异常升高原因分析

对于迷宫活塞式往复压缩机来说，级间压力异常升高，末级排气量减少的原因主要有以下几点：

4.1气阀泄漏

多级往复压缩机一级排气压力异常升高常见的原因就是气阀泄漏。（1）需要检查二级进气阀。如果二级进气阀泄漏，二级压缩后的高压气体返回一级，导致一级排气压力升高。（2）需要检查一级排气阀。如果一级排气阀泄漏，一级压缩后的高压气体排不出去，从而导致一级排气压力升高。（3）需要检查二级排气阀。如果二级排气阀泄漏，二级高压气体排不出去，就会影响二级进气的吸气量，导致一级排气憋压，从而引起一级排气压力升高。以上3种气阀泄漏情况，都会引起一级排气压力升高、末级排气流量减少，但与此同时，由于高压气体回串，也会导致气体温度升高，随之气阀的阀盖温度会升高。但发生故障时，现场用红外测温仪测量气阀的阀盖温度，阀盖的温度相对低于该处气体温度10~15℃，检查各级的进排气温度，也没有发现较平时有异常升高，所以此次故障原因可排除气阀泄漏。实际检修情况也表明，这次故障跟气阀泄漏没有关系。

4.2填料密封磨损

该压缩机的活塞杆密封填料由两种密封环组成，分为接触式和非接触式，填料环的内壁开有迷宫槽，通过对气体的节流来达到密封作用。该压缩机填料密封共有9道密封环，从气缸开始第4道密封环后有一条漏气回收管道去该级进气缓冲罐，第8道密封环后有一条漏气回收管道去火炬放空，临末再有泄漏的乙烯则随通入隔室的氮气一起排至室外大气。经运行期间的观察和监测，2个气缸的一次漏气回收管道外壁温度无明显变化，一级填料的二次漏气回收管道外壁温度一直在40℃左右，也没有明显升高，而二级填料密封的漏气回收管道，平时该管道表面温度基本在48~56℃之间，在故障发生期间，一级排气安全阀起跳的时候，现场测该管道表面温度达到了70℃，说明该处漏气量明显增大。另外，末次泄漏的少量乙烯与隔离氮气混合后排至室外大气，我们在该排放口处用可燃气体报警仪测得可燃气浓度为50%LEL，而以往平时监测该处可燃气浓度一直在30%LEL左右，这也说明了乙烯的漏量有所增加。所以，可判断二级填料密封发生磨损，导致二级气缸排气量损失，泄漏的高压气体一部分经漏气回收管道返回二级入口，又造成了一级排气压力升高。

4.3气缸和活塞磨损

该压缩机的活塞为迷宫式，活塞外壁开有迷宫槽，同时气缸内壁也开有迷宫槽。迷宫式活塞由于活塞与气缸内壁存在间隙，依靠表面梳齿的层层节流来实现密封。该类压缩机对于活塞和气缸的间隙以及活塞的装配精度，尤其是活塞的运行轨迹要求非常严格，其中活塞与气缸的直径间隙只有0.20mm，如果活塞与气缸接触就会产生摩擦，进而破坏活塞表面梳齿，引起迷宫密封失效，气缸内高压气体回串，导致级间压力升高，排气流量减少。为了确保活塞运行轨迹始终保持直线而不发生偏差，该压缩机在活塞杆中间部位设置

有导向轴承，以防止活塞偏移和气缸摩擦。导向轴承和活塞杆的直径间隙只有0.06mm，配合要求十分严格。迷宫活塞压缩机相对于普通活塞压缩机先进之处就在于其活塞为迷宫结构，设计基础就是活塞与气缸无摩擦，对于活塞的运动轨迹及运行配合的制造和安装要求也是非常苛刻。所以，活塞和气缸一般不会发生磨损，但实际情况是，此次故障的原因恰恰就出现在这里。

5　检修处理经过

出现问题后，工厂共进行了两次检修。第一次进行了小修，更换了全部气阀，但是故障仍旧存在。第二次进行了中修，拆卸了活塞、填料密封、刮油环、导向轴承等组件，详细检查了各部件的磨损情况和配合间隙。检查发现活塞、气缸、填料密封、导向轴承均有不同程度的磨损情况。

5.1填料密封磨损情况

如图2、图3所示：二级填料密封磨损严重，密封内有黑色粉末状磨损产物，对应活塞杆处有黑色磨痕。可判断：二级填料密封磨损，导致气缸泄漏量增大，造成排气量降低。泄漏的高压气体经漏气回收管道返回二级进气入口，影响到了一级排气量，从而造成一级排气憋压，级间压力升高。

5.2活塞与气缸磨损情况

如图4、图5所示：二级活塞外壁严重偏磨，磨损侧表面梳齿几近磨平。二级气缸内壁对应部位严重偏磨，磨损痕迹特别明显。经测量，2个活塞与气缸周边间隙不均匀，其中二级活塞与气缸间隙超差严重。可判断：活塞与气缸磨损，则吸、排气两侧气体互串，降低了气缸内压缩效率，导致级间压力升高，排气量降低。

5.3导向轴承磨损情况

如图6所示：二级导向轴承有磨损，内壁有烧研情况，对应二级活塞杆处有巴氏合金残留。经测量，二级导向轴承内径尺寸超差严重。据此可判断：由于导向轴承的作用是为活塞的运动进行导向，如果导向轴承磨损，那么活塞运动将有所偏移，从而导致填料密封和活塞磨损。综上所述，此次故障的原因主要是导向轴承磨损，进而造成活塞、气缸、填料密封磨损，从而引起级间压力升高、二级排气量降低。下面，对导向轴承磨损的原因进行进一步分析。

5.4导向轴承磨损原因分析

装配原因。导向轴承与活塞杆的厂家给定标准间隙值为0.04~0.08mm，间隙值比较小。活塞杆与十字头的连接方式为螺纹连接，安装时调整难度较高，稍有偏差就会造成活塞杆与导向轴承一侧接触，进而造成导向轴承磨损、烧研。仅对本次故障来说，由于压缩机的安装是在机器厂家技术人员指导下完成的，所以可排除装配方面的原因。

润滑原因。导向轴承与活塞杆之间的润滑由于采用飞溅润滑，没有稳定的外供润滑油系统，仅是依靠十字头做往复运动时甩出的润滑油进行润滑。在压缩机运行初期，润滑油温度较低，粘度相对较大，十字头甩出的油量较少，导向轴承与活塞杆之间难以形成稳定的油膜，润滑条件不够充足，极易造成活塞杆与导向轴承之间产生干摩擦，这种情况在冬季尤为突出。并且，在压缩机刚停机时，活塞杆的往复运动逐渐停止，这期间十字头甩出的油量也随之减少，进而会造成导向轴承与活塞杆产生摩擦。待压缩机完全停止后，导向轴承与活塞杆处没有持续润滑油进行冷却降温，也会影响和降低导向轴承的使用寿命。

6　故障应对措施

综上所述，造成压缩机级间压力异常升高、末级排气量减少的根本原因就是导向轴承处润滑不足，进而造成导向轴承磨损、活塞杆运动偏摆、填料密封磨损、活塞与气缸磨损等一系列问题。所以，针对故障问题和设备实际运行情况，我们和机器厂家沟通后，对压缩机进行了优化改造。即：在机身内部增设两级导向轴承与活塞杆的预润滑线，提高导?轴承与活塞杆的润滑效果，避免因润滑中断或润滑不足而造成干摩擦。具体措施为：从现有润滑油总供油线上引出一根覫8白钢管，分成两路，在压缩机机身两侧钻孔，进入两级导向轴承下侧，分别围绕相应活塞杆弯曲成环，钻出4个小孔，喷油至活塞杆表面（导向轴承下部约2cm处）。该润滑油线上安装有切断阀，可以进行关闭和开启。在压缩机正式开机前，先启动辅助润滑油泵进行油运，打开该润滑油线对两级导向轴承进行预润滑，同时人工盘车10圈，使导向轴承与活塞杆接触部位得到充分润?，预润滑时间不少于5min。压缩机需要停机时，则按照原停机程序，待机器完全停止10min后，再关闭辅助润滑油泵。

经过改造，压缩机的导向轴承与活塞杆接触部位始终有润滑油润滑，促进了该润滑部位的液膜形成，极大提升了润滑效果，同时也增强了导向轴承与活塞杆之间的密封，避免了压缩机上层隔室内的乙烯向下泄漏至底部的润滑油箱。

7　结论

按照国家标准《JB/T11178-2011迷宫活塞压缩机》所述，迷宫压缩机的活塞杆导向轴承可采用飞溅润滑。作者为此进行了文献检索，并没有查到其它为导向轴承额外设置润滑油的情况。但是，己烯-1装置生产情况较为特殊，其生产性质属于工业化试验，每次开工少则几天，多则月余，工艺生产并不稳定，经常需要反复停开工。由此压缩机开停机特别频繁，也就使得导向轴承与活塞杆的润滑不足问题得到放大。长此以往，势必会加快降低导向轴承的使用寿命。所以，对于需要频繁启停的压缩机，很有必要对导向轴承设置外供润滑油来进行强制润滑。

工厂通过此次改造，有效解决了压缩机导向轴承与活塞杆润滑不足问题。通过一年多的运行情况来看，压缩机级间压力异常升高、末级排气量降低问题已经得到解决，导向轴承与活塞杆、填料密封与活塞杆、活塞与气缸没再出现偏磨情况，压缩机能够平稳运行，各项参数也都在标准范围内。临末，希望通过本次压缩机故障与优化改造实例，为同类企业迷宫活塞式往复压缩机的设计选型和运行维护提供一定的参考经验。

参考文献：

[1]戴晓洲.迷宫式活塞压缩机迷宫密封及结构分析[J].化工机械，2000，27（2）

来源：《压缩机技术》

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