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往复压缩机连杆小头瓦烧损原因分析及改进措施

发布时间:2020-09-16
1 引言
 
新氢压缩机是山东石大科技石化有限公司加制氢装置用以输送氢气的往复压缩机,是山东石大科技石化有限公司制氢装置的关键设备之一。该设备型号DW-36.2/5-34-X,流量800 Nm3/min,出口压力8.0 MPa,一开一备运行方式。该设备自2012年12月份投用后一个月,出现润滑油过滤器压差大报警现象,在对润滑油过滤器拆检时发现,滤网上有银白色金属屑,初步判断为轴瓦磨损所致。在对压缩机停机拆检过程中发现,两台机组连杆小头衬套和十字头销均烧损粘结一起。为此,我们从机组结构设计、装配等方面,对连杆小头瓦烧损进行原因分析及可行性改造,提高了机组的安全性能,确保了装置平稳生产。
 
2 连杆小头轴瓦受力润滑分析
 
连杆是曲轴与十字头或活塞之间的连接部件,活塞运行时,作用在活塞上的气体力就会传递给曲轴。活塞在直线往复运行过程中受到拉和压2个作用力,在拉和压作用力的作用下,使得十字头销反复压紧小头瓦的两侧。当活塞向前运动时,气体力便通过连杆传递到轴瓦,使得小头瓦一侧受力压紧,因为十字头销与连杆小头轴瓦配合是有间隙的,则另一侧便会出现间隙,润滑油就在压力作用下流入该间隙,当作用力方向改变时,轴瓦原来受压一侧则会出现间隙,而留有间隙的一侧因受力又被压紧。如果压缩机活塞在运行过程中只受一个方向的力,在单向力的作用下十字头销始终只压紧连杆小头瓦的一侧,造成小头瓦受压侧没有间隙,润滑油无法进入润滑和冷却。所以,作用在轴瓦上的气体力方向必须改变,以便使得连杆小头瓦两侧反复出现间隙得到润滑油的润滑和冷却。
 
作用到连杆小头瓦上作用力方向的改变必须要持续一定的时间,才能保证润滑油充分流入轴瓦并起到作用。作用力方向改变需要持续的时间用曲轴转角来定义称之为压缩机的“反向角”,API618标准规定反向角不小于15°,假设反向角设计偏小或活塞杆反向负荷不存在,十字头销与连杆小头衬套就会因为缺少润滑和冷却而烧损。
 
3 轴瓦失效情况及原因分析
 
DW-36.2/5-34-X新氢压缩机是新投用压缩机,在机组试车时,各项运行指标均正常。开工投用后不久,出现压缩机油过滤器压差偏高。起初只是以为新机组投用润滑油箱及润滑管道不清洁造成过滤器压差偏高,在进行滤芯清洗后机组投用正常。然而,机组运行未到8 h,又出现润滑油过滤器压差高报警,在对过滤器拆检清洗时发现润滑油内含有大量金属屑,于是推断机组轴瓦出现磨损导致轴瓦金属屑进入润滑油。
 
对机组拆检过程中发现,压缩机二级连杆小头瓦与十字头销已经严重烧结咬合不能转动,正常的拆卸方法已经无法将十字头销取出;我们一边用专用拉马拉住十字头销,一边用大铜锤在十字头销的另一侧进行敲击,最终慢慢将十字头销取出。十字头取出后发现,小头瓦铜套内表面磨损严重,表面发黑并有咬合现象,小头瓦内孔已变椭圆,十字头销表面附着大量金属屑。影响小头瓦烧损的因素很多,根据我们的工作经验,轴瓦润滑不足、压缩机反向角小是造成轴瓦烧损的主要原因。
 
3.1 反向角影响因素分析
 
我们通过对往复压缩机活塞杆及其传动部件在工作中受力分析可知,如果压缩机在运行过程没有活塞杆负荷反向或足够大的反向角,就会造成轴瓦始终受力一侧润滑油无法进入,从而导致烧毁。
 
排出设计因素,压缩机气阀运行状态的好坏对反向角影响尤为重要,因为它直接影响着活塞所受气体力的大小。如果压缩机进气阀出现故障导致严重的泄漏,那么进入气缸的气体在压缩过程中会有部分经泄漏的进气阀返回入口,导致产生在活塞上的气体力会明显减小;而排气阀出现故障,则出口压力较高的气体会进入气缸,会对活塞产生较大的气体力。以上这些情况都会导致反向角偏离设计要求,假设机组长时间运行就会导致轴瓦缺少润滑冷却而烧损。在对机组拆检过程中发现,机组所有气阀阀片密封良好,气密性完全符合标准要求,因此,我们可以排除机组出现反向角减小或为0的状况。
 
3.2 轴瓦润滑影响因素分析
 
活塞压缩机润滑方式,是通过采用油泵压力油强制润滑;润滑油路大致为:曲轴(主轴承)寅连杆大头寅连杆小头寅十字头滑道寅油箱。十字头销处的润滑油是由连杆大头瓦处通过连杆供油长孔,进入连杆小头瓦背部与连杆体之间的供油腔内,再通过贯穿小头瓦的供油孔,进入小头瓦和十字头销之间进行润滑。
 
连杆小头瓦的供油均来自于与瓦背供油腔相通的宽度12 mm的油槽,在瓦背油槽处沿圆周均匀排列16个渍8 mm通油孔。在轴瓦内面通油孔处,沿轴向开始回油槽。这种结构可以使润滑油顺利地进入轴瓦与十字头销的间隙。润滑油从通油孔进入后,一侧油进入后被旋转着的轴颈带入楔形间隙中形成动压油膜;另一侧油进入后覆盖在颈上半部,起着冷却作用,最后油从轴瓦两端泄出。
 
我们知道,润滑油膜建立的条件必须是两相对滑动工作表面间隙必须有变化,且充满连续足够的润滑流体。
 
从润滑油路可以看出,小头瓦为润滑油路的末端,由于主轴瓦、连杆大头瓦处的阻力及泄漏,润滑油到达连杆小头瓦与十字头销摩擦副时的流量和压力都已经比较低了,润滑状态较差,只留一层附着的表面润滑膜,处于边界润滑状态,摩擦系数增大,产生的摩擦热也增大。轴瓦的内面有回油槽,但没有与轴瓦侧端面相连,这就增加了润滑油的回油阻力,容易在轴瓦内部形成困油现象,这就更增加了在主受力面区域内形成油膜的难度。由此可知,小头瓦润滑油压力不足且回油困难是造成轴瓦磨损的主要原因。
 
4 故障解决办法及措施
 
建立润滑油膜是保证小头瓦稳定运行的关键。我们通过以下措施,来解决往复压缩机小头瓦烧损问题。
 
4.1 对损坏小头瓦及十字头销进行更换,确保其配合间隙连杆小头瓦与十字头销的配合间隙数据是很重要的,在检修更换时一定要把间隙控制在技术范围内,如果间隙小于技术要求,结果会引起油温升高使润滑油通量不足,摩擦功耗增大,过热的热量不断积聚,使轴瓦表面烧损。如果间隙大于技术要求,会引起油压降低,小头瓦与十字头销产生撞击,严重影响压缩机的工作寿命。
 
为了确保配合间隙及精度,首先用涂色法检测十字销与衬套的贴合面,接触面积要求达到70%以上,分布均匀;小头瓦与十字头销之间的配合间隙符合机组技术要求。
 
4.2 对小头瓦回油槽进行改进,保证回油量因为小头瓦与十字头销之间的装配检修有一定的技术要求,不能过大。因此,在轴瓦的内面加工有回油槽,进入轴瓦内部的润滑油顺畅的从轴瓦两侧流出。但我们拆检轴瓦发现,回油槽与轴瓦侧端面是不联通的,势必造成润滑油在回油槽两端的堆积,因其排出不畅造成困油现象。十字头销与小头瓦之间摩擦产生的热量不能及时被润滑油带着,便产生大量摩擦热,导致润滑油膜汽化,严重破坏了十字头销与小头瓦之间的润滑状态,导致轴瓦的烧损。
 
为了能使润滑油及时的排出回油槽,我们在小头瓦两侧端面加工了宽5 mm,深0.5 mm的泄油沟槽,使其与轴瓦内表面的回油槽相通。泄油沟槽深度尺寸不易过大,既能保证带走小头瓦与十字头销摩擦产生的热量,又能保持一定的阻力,防止润滑油泄漏过快而破坏油膜的建立。
 
4.3 确保小头瓦润滑油量及油压
 
为了提高小头瓦的进油量,我们将瓦背通油孔直径由准8 mm扩大为准10 mm。同时,对润滑油管路进行了清洗,更换了油过滤器芯,以保证润滑油进油压力。通过以上措施,提高了轴瓦润滑油量,轴瓦摩擦产生的热量能及时带走。润滑油粘度及温度对油膜建立影响较大,因此,在机组日常操作中,严格按照机组操作说明要求控制润滑油各项指标,确保润滑油的黏度不宜过大,同时要控制好供油温度,不宜过低;尤其在冬天,油加热器功率过小可能无法达到启动最低油温,可空载运行一段时间,待润滑油温度上升后再加载。
 
来源:《压缩机技术》
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