沈陽6M50壓縮機一級活塞組件改造應用小結
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壓縮機一級活塞組件的改進，提高了該活塞組件的運行安全性，并節省了檢修費用，保證了壓縮機的穩定運行，取得了良好的經濟效益。
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，核心運轉設備有9臺6M50氮氫壓縮機，單機年產合成氨4萬噸。其中的五臺，采用了沈陽氣體壓縮機有限公司生產的6M50氮氫壓縮機。
2. 存在問題
該機從試車投入生產，經過多年的運行，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，對活塞組件局部結構、支承環及活塞環進行了改進，并經過一年多的運行，消除了以往的存在問題，運行安全、穩定，改造比較成功。原一級活塞組件運行至今，共出現了以下幾個問題：
2.1活塞體碎裂 正常運行過程中，該活塞體突然出現碎裂。
2.2活塞桿斷裂 該斷裂情況出現在活塞桿與活塞體接觸的臺階背側，斷口非常整齊。經仔細檢查斷面，未發現存在裂紋的隱性傷痕。
2.3活塞環異常磨損 該活塞環結構為：用鑄鐵制作成基礎環，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,其發生異常磨損及巴氏合金局部脫落后，導致密封性變差，引起壓縮機打氣量不足。
2.4活塞體支承環作用欠缺 該活塞組件支承環僅為120°，氣缸內壁鏡面對其的支承作用較小，壓縮機運轉過程中，部分機器的一級氣缸體振動偏大。
3. 原因分析 針對該機一級活塞組件在運行中出現的問題，并結合生產實際分析，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：該壓縮機采用鋼制環狀氣閥，氣閥運行一段時間后，閥片出現斷裂而掉入氣缸，該活塞體受到斷裂閥片的大量鑲嵌后，活塞體的強度大為降低，運行一段時間后，出現活塞體碎裂。另外，由于一級活塞組件使用久后，鋁質活塞體芯部受交變載荷而發生塑性變形，活塞桿與活塞體預緊力下降，活塞體芯部產生間隙，活塞體受到額外的沖擊載荷而發生破裂。
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轉中曾受到橫向力的作用。根據活塞桿斷裂時的其他情況：支承活塞體用的支承環磨損均較大，從支承環槽中脫出。由于活塞體與氣缸之間的間隙較小，受到該支承環的局部卡阻后，產生附加彎矩，從而導致活塞桿在上述部位斷裂。另外，該120°支承環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，在壓縮機運行一段時間后，該定位塊經常出現脫落狀況，導致支承環磨損后，比較容易從支承環槽中脫出。
3.3活塞環異常磨損問題，主要原因是：
3.3.1一級進氣中污物較多，該污物主要是：半水煤氣中夾帶的硫磺、焦油及水分等，影響到該壓縮機一級氣缸的潤滑效果，導致活塞環使用早期就出現異常磨損。
3.3.2一級氣缸的注油管墊片是鋁質，而氣缸循環冷卻水對其腐蝕后，導致發生泄漏，由于一級氣缸運行的特殊性，其一級排氣壓力與氣缸循環冷卻水水壓相當，加之活塞運動吸氣時，缸內壓力就遠低于循環冷卻水水壓，故導致大量的循環冷卻水進入到氣缸內，加劇了氣缸潤滑狀況的破壞。從而導致一級活塞環周邊的巴氏合金減摩層快速磨損、密封失效，嚴重影響到壓縮機的一級打氣量。
3.4活塞體支承環作用欠缺問題，該問題早就存在，原設計的活塞體上的支承環槽較淺，僅為5mm，而支承環的厚度也僅為10mm，故活塞組件新安裝后，環槽對支承環的限定作用有限，一旦支承環受到潤滑狀況變差、異常快速磨損后，就極易從環槽中脫出而卡阻在活塞體與氣缸壁之間，從而產生附加彎矩，最終導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，更加增大了支承環脫出環槽的可能性。
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的PEEK閥片的氣閥代替原有的鋼制環狀閥片氣閥。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，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，消除了閥片對活塞體的強度削弱作用。另外，對新制作活塞體，適當增大了芯部直徑及內部加強筋板的厚度，一定程度上也提高了該一級活塞體的強度。
4.2增加活塞體支承環槽的深度，并相應增加支承環的厚度，使其兩者之間的配合尺寸達到10mm，同時，將支承環由120°增加到360°，僅留其熱漲間隙。這樣，即使支承環發生磨損后，也難以從支承環槽中脫出。同時，氣缸鏡面也達到了對活塞體往復運動的支承和導向作用，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也進行了材料更換。原先設想更換成聚醚醚酮（PEEK）樹脂材料，雖然該材料已經在該類型壓縮機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、支承環，改造費用就會大幅增加。后來，經商討決定，采用聚醚砜樹脂（PES）材料制作活塞環和支承環。該材料的性能優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年開發的一種綜合性能優異的熱塑性高分子材料，是目前得到應用的為數不多的特種工程塑料之一。它具有優良的耐熱性能、物理機械性能、絕緣性能等，特別是具有可以在高溫下連續使用和在溫度急劇變化的環境中仍能保持性能穩定等突出優點，在許多領域已經得到廣泛應用。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℃以下的溫度范圍內其抗蠕變性是熱塑性樹脂當中最優異的一種，特別是玻璃纖維增強PES樹脂比某些熱固性樹脂還好。
d、尺寸穩定性：線膨脹系數小，而且其溫度信賴性也小是其特點。特別是30%玻璃纖維增強PES樹脂，其線膨脹系數只有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、耐化學藥品性：PES耐汽油、機油、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、化學性能，結合該一級氣缸實際運行的相關壓力、溫度狀況，該PES樹脂符合制作該一級支承環與活塞環的條件。
4.4另外，嚴格壓縮機的運行管理，提高其一級進氣半水煤氣的凈化程度，加強壓縮機易損件的定期檢查與檢修，也是保證壓縮機安全穩定運行的重要措施。
5. 使用效果 由溫州瑞德氣閥有限公司按照我方壓縮機運行的相關技術參數及要求，自行設計了PES活塞環與PES支承環，改進制作的該一級活塞體組件于2010.7.28更換上使用至今，經對其實際使用情況的監測，該級的氣體排出壓力、溫度均符合設計的工藝指標，使用效果良好。
6. 經濟效益分析
6.1檢修費用：每次發生事故，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，總計費用在18萬元以上。加上檢修人工費用等，每次事故均會造成巨大的經濟損失。
6.2檢修影響的間接費用：每次一級活塞組件的更換時間至少約需10小時，按該機單臺合成氨生產能力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，事故造成的壓縮機其他零件的隱形損傷則無法估計。
7. 總結
通過對該沈陽6M50壓縮機一級活塞組件的改造，提高了該壓縮機一級活塞組件的運行安全性，節省了大量的維修費用，減少了突發停車檢修對合成氨生產的影響，保證了壓縮機的穩定運行，取得了良好的經濟效益。