沈陽6M50壓縮機(jī)一級活塞組件改造應(yīng)用小結(jié)
邵小光 薛 軍
溫州瑞德氣閥有限公司 江蘇華昌化工股份有限公司
摘 要：通過對沈陽6M50壓縮機(jī)一級活塞組件的改進(jìn)，提高了該活塞組件的運(yùn)行安全性，并節(jié)省了檢修費(fèi)用，保證了壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
1. 前言
江蘇華昌化工股份有限公司于2006年底全部完成整體搬遷，其合成氨裝置分別于2005年6月底及2006年11月底投產(chǎn)，核心運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備有9臺6M50氮?dú)鋲嚎s機(jī)，單機(jī)年產(chǎn)合成氨4萬噸。其中的五臺，采用了沈陽氣體壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的6M50氮?dú)鋲嚎s機(jī)。
2. 存在問題
該機(jī)從試車投入生產(chǎn)，經(jīng)過多年的運(yùn)行，一級活塞組件暴露出了一些問題。通過與溫州瑞德氣閥有限公司的合作，對活塞組件局部結(jié)構(gòu)、支承環(huán)及活塞環(huán)進(jìn)行了改進(jìn)，并經(jīng)過一年多的運(yùn)行，消除了以往的存在問題，運(yùn)行安全、穩(wěn)定，改造比較成功。原一級活塞組件運(yùn)行至今，共出現(xiàn)了以下幾個問題：
2.1活塞體碎裂 正常運(yùn)行過程中，該活塞體突然出現(xiàn)碎裂。
2.2活塞桿斷裂 該斷裂情況出現(xiàn)在活塞桿與活塞體接觸的臺階背側(cè)，斷口非常整齊。經(jīng)仔細(xì)檢查斷面，未發(fā)現(xiàn)存在裂紋的隱性傷痕。
2.3活塞環(huán)異常磨損 該活塞環(huán)結(jié)構(gòu)為：用鑄鐵制作成基礎(chǔ)環(huán)，在其外周鑲嵌澆注有巴氏合金的減摩層，該減摩層又起到密封作用,其發(fā)生異常磨損及巴氏合金局部脫落后，導(dǎo)致密封性變差，引起壓縮機(jī)打氣量不足。
2.4活塞體支承環(huán)作用欠缺 該活塞組件支承環(huán)僅為120°，氣缸內(nèi)壁鏡面對其的支承作用較小，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，部分機(jī)器的一級氣缸體振動偏大。
3. 原因分析 針對該機(jī)一級活塞組件在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析，主要有以下幾方面的原因：
3.1活塞體碎裂問題，分析主要原因是：該壓縮機(jī)采用鋼制環(huán)狀氣閥，氣閥運(yùn)行一段時間后，閥片出現(xiàn)斷裂而掉入氣缸，該活塞體受到斷裂閥片的大量鑲嵌后，活塞體的強(qiáng)度大為降低，運(yùn)行一段時間后，出現(xiàn)活塞體碎裂。另外，由于一級活塞組件使用久后，鋁質(zhì)活塞體芯部受交變載荷而發(fā)生塑性變形，活塞桿與活塞體預(yù)緊力下降，活塞體芯部產(chǎn)生間隙，活塞體受到額外的沖擊載荷而發(fā)生破裂。
3.2活塞桿斷裂問題，從活塞桿斷裂面狀況分析，該活塞組件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中曾受到橫向力的作用。根據(jù)活塞桿斷裂時的其他情況：支承活塞體用的支承環(huán)磨損均較大，從支承環(huán)槽中脫出。由于活塞體與氣缸之間的間隙較小，受到該支承環(huán)的局部卡阻后，產(chǎn)生附加彎矩，從而導(dǎo)致活塞桿在上述部位斷裂。另外，該120°支承環(huán)僅靠其兩端的定位塊限定周向位置，而定位塊又用2個M6的螺釘固定，在壓縮機(jī)運(yùn)行一段時間后，該定位塊經(jīng)常出現(xiàn)脫落狀況，導(dǎo)致支承環(huán)磨損后，比較容易從支承環(huán)槽中脫出。
3.3活塞環(huán)異常磨損問題，主要原因是：
3.3.1一級進(jìn)氣中污物較多，該污物主要是：半水煤氣中夾帶的硫磺、焦油及水分等，影響到該壓縮機(jī)一級氣缸的潤滑效果，導(dǎo)致活塞環(huán)使用早期就出現(xiàn)異常磨損。
3.3.2一級氣缸的注油管墊片是鋁質(zhì)，而氣缸循環(huán)冷卻水對其腐蝕后，導(dǎo)致發(fā)生泄漏，由于一級氣缸運(yùn)行的特殊性，其一級排氣壓力與氣缸循環(huán)冷卻水水壓相當(dāng)，加之活塞運(yùn)動吸氣時，缸內(nèi)壓力就遠(yuǎn)低于循環(huán)冷卻水水壓，故導(dǎo)致大量的循環(huán)冷卻水進(jìn)入到氣缸內(nèi)，加劇了氣缸潤滑狀況的破壞。從而導(dǎo)致一級活塞環(huán)周邊的巴氏合金減摩層快速磨損、密封失效，嚴(yán)重影響到壓縮機(jī)的一級打氣量。
3.4活塞體支承環(huán)作用欠缺問題，該問題早就存在，原設(shè)計(jì)的活塞體上的支承環(huán)槽較淺，僅為5mm，而支承環(huán)的厚度也僅為10mm，故活塞組件新安裝后，環(huán)槽對支承環(huán)的限定作用有限，一旦支承環(huán)受到潤滑狀況變差、異常快速磨損后，就極易從環(huán)槽中脫出而卡阻在活塞體與氣缸壁之間，從而產(chǎn)生附加彎矩，最終導(dǎo)致活塞桿承受拉力及附加彎矩的雙重作用后，造成斷裂。再者，支承環(huán)槽由于較淺，使用一段時間后，其直角容易磨損成圓角，甚至直角臺階被磨平，更加增大了支承環(huán)脫出環(huán)槽的可能性。
4. 采取措施 針對該一級活塞組件存在的上述問題，分別采取了如下措施：
4.1針對鋼制環(huán)狀閥片易斷而鑲嵌入活塞體的問題，采用了溫州瑞德氣閥有限公司產(chǎn)的PEEK閥片的氣閥代替原有的鋼制環(huán)狀閥片氣閥。一方面，大大延長了氣閥的使用壽命；另一方面，即使有斷裂的閥片掉入氣缸內(nèi)，受到活塞體撞擊后，閥片只會粉碎而不會鑲嵌入到活塞體內(nèi)，消除了閥片對活塞體的強(qiáng)度削弱作用。另外，對新制作活塞體，適當(dāng)增大了芯部直徑及內(nèi)部加強(qiáng)筋板的厚度，一定程度上也提高了該一級活塞體的強(qiáng)度。
4.2增加活塞體支承環(huán)槽的深度，并相應(yīng)增加支承環(huán)的厚度，使其兩者之間的配合尺寸達(dá)到10mm，同時，將支承環(huán)由120°增加到360°，僅留其熱漲間隙。這樣，即使支承環(huán)發(fā)生磨損后，也難以從支承環(huán)槽中脫出。同時，氣缸鏡面也達(dá)到了對活塞體往復(fù)運(yùn)動的支承和導(dǎo)向作用，一定程度上也減輕了氣缸體的振動。
4.3對其鑄鐵表面鑲嵌巴氏合金的活塞環(huán)也進(jìn)行了材料更換。原先設(shè)想更換成聚醚醚酮（PEEK）樹脂材料，雖然該材料已經(jīng)在該類型壓縮機(jī)的五級和六七級上成功使用，但該材料畢竟比較昂貴，對于尺寸較大的活塞環(huán)、支承環(huán)，改造費(fèi)用就會大幅增加。后來，經(jīng)商討決定，采用聚醚砜樹脂（PES）材料制作活塞環(huán)和支承環(huán)。該材料的性能優(yōu)于目前普遍采用的聚四氟乙烯，而制造成本又大大低于聚醚醚酮（PEEK）樹脂材料。
聚醚砜樹脂（PES）是英國ICI公司在1972年開發(fā)的一種綜合性能優(yōu)異的熱塑性高分子材料，是目前得到應(yīng)用的為數(shù)不多的特種工程塑料之一。它具有優(yōu)良的耐熱性能、物理機(jī)械性能、絕緣性能等，特別是具有可以在高溫下連續(xù)使用和在溫度急劇變化的環(huán)境中仍能保持性能穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。聚醚砜樹脂（PES）主要性能如下：
a、耐熱性：熱變形溫度在200～220℃，連續(xù)使用溫度為180～200℃。
b、耐水解性：可耐150～160℃熱水或蒸汽，在高溫下也不受酸、堿的侵蝕。
c、抗蠕變性：在180℃以下的溫度范圍內(nèi)其抗蠕變性是熱塑性樹脂當(dāng)中最優(yōu)異的一種，特別是玻璃纖維增強(qiáng)PES樹脂比某些熱固性樹脂還好。
d、尺寸穩(wěn)定性：線膨脹系數(shù)小，而且其溫度信賴性也小是其特點(diǎn)。特別是30%玻璃纖維增強(qiáng)PES樹脂，其線膨脹系數(shù)只有2.3×10-5 ℃-1，并且直到200℃仍然可以保持與鋁相近似的值。
e、耐沖擊性：具有與聚碳酸酯相同的耐沖擊性。
f、耐化學(xué)藥品性：PES耐汽油、機(jī)油、潤滑油等油類，它的耐溶劑開裂性是非晶樹脂中最好的。
PES樹脂具有上述良好的物理、化學(xué)性能，結(jié)合該一級氣缸實(shí)際運(yùn)行的相關(guān)壓力、溫度狀況，該P(yáng)ES樹脂符合制作該一級支承環(huán)與活塞環(huán)的條件。
4.4另外，嚴(yán)格壓縮機(jī)的運(yùn)行管理，提高其一級進(jìn)氣半水煤氣的凈化程度，加強(qiáng)壓縮機(jī)易損件的定期檢查與檢修，也是保證壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施。
5. 使用效果 由溫州瑞德氣閥有限公司按照我方壓縮機(jī)運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及要求，自行設(shè)計(jì)了PES活塞環(huán)與PES支承環(huán)，改進(jìn)制作的該一級活塞體組件于2010.7.28更換上使用至今，經(jīng)對其實(shí)際使用情況的監(jiān)測，該級的氣體排出壓力、溫度均符合設(shè)計(jì)的工藝指標(biāo)，使用效果良好。
6. 經(jīng)濟(jì)效益分析
6.1檢修費(fèi)用：每次發(fā)生事故，不僅會造成活塞組件的損壞、活塞桿及該級連桿螺栓的更換，總計(jì)費(fèi)用在18萬元以上。加上檢修人工費(fèi)用等，每次事故均會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
6.2檢修影響的間接費(fèi)用：每次一級活塞組件的更換時間至少約需10小時，按該機(jī)單臺合成氨生產(chǎn)能力40ktNH3/a，即：5tNH3/h，每次檢修就會影響合成氨50噸以上。其中，還不包括額外開停車所造成的電耗、氣耗。另外，事故造成的壓縮機(jī)其他零件的隱形損傷則無法估計(jì)。
7. 總結(jié)
通過對該沈陽6M50壓縮機(jī)一級活塞組件的改造，提高了該壓縮機(jī)一級活塞組件的運(yùn)行安全性，節(jié)省了大量的維修費(fèi)用，減少了突發(fā)停車檢修對合成氨生產(chǎn)的影響，保證了壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。