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(中國石油 玉門油田分公司 煉油化工總廠, 甘肅 酒泉 735000)

往復(fù)式抽氣壓縮機(jī)曲軸軸承失效原因分析及對策

蔣毅，馮李楊，馬立剛，石福琛，劉真

(中國石油 玉門油田分公司 煉油化工總廠, 甘肅 酒泉 735000)

針對2D25-115/10.23-BX型往復(fù)式抽氣壓縮機(jī)的負(fù)荷加載方式不平衡的運(yùn)行特殊工況，以實(shí)際應(yīng)用為背景，從載荷加載方式,低壓瓦斯帶液、瓦斯管網(wǎng)壓力波動、軸承間隙與潤滑油等方面分析了影響曲軸軸承失效的各種因素，并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了縮減一、二級氣缸直徑，二級氣缸加裝干式活襯套以及飛輪增重等相應(yīng)的解決對策。

壓縮機(jī)； 軸承； 失效； 負(fù)荷加載； 不平衡

玉門油田分公司煉油化工總廠(以下簡稱玉煉)碳三裝置于2007-12建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)規(guī)模10萬t/a，用于回收煉油廠各裝置排放瓦斯中的碳三以上組分，往復(fù)式抽氣壓縮機(jī)(以下簡稱抽氣壓縮機(jī))是碳三裝置進(jìn)行低壓瓦斯回收的重要技術(shù)設(shè)備之一。自2012年起，玉煉調(diào)整生產(chǎn)加工方案，加工原油重質(zhì)化，隨著汽油加氫、柴油改質(zhì)等裝置的陸續(xù)投產(chǎn)，這些裝置尾氫的排放造成低壓瓦斯中氫組分含量不斷上升，導(dǎo)致抽氣壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷加重，實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況偏離，動力電機(jī)難以維持抽氣壓縮機(jī)的高負(fù)荷運(yùn)行。

為保證裝置正常生產(chǎn)運(yùn)行，2012-09，抽氣壓縮機(jī)被動調(diào)整負(fù)荷加載方式(非對稱加載)，以適應(yīng)電機(jī)的承載負(fù)荷。歷經(jīng)3 a非對稱負(fù)荷加載方式的運(yùn)行，抽氣壓縮機(jī)曲軸軸承頻繁失效，先后于2015-02、2015-07、2015-08進(jìn)行了3次維修，嚴(yán)重影響了裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。文中對此進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以供同行借鑒。

1 抽氣壓縮機(jī)簡介[1-3]

抽氣壓縮機(jī)為固定水冷對稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)，型號2D25-115/10.23-BX，由沈陽氣體壓縮機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)制造，其主要用途是將低壓瓦斯管網(wǎng)內(nèi)的低壓瓦斯通過抽氣壓縮機(jī)升壓后送至脫硫裝置低壓瓦斯脫硫塔進(jìn)行脫硫處理。

抽氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。針對抽氣壓縮機(jī)運(yùn)行工況的現(xiàn)狀，對2012～2014同一時(shí)期低壓瓦斯組分選取典型值進(jìn)行分析(表1)。

圖1 抽氣壓縮機(jī)示圖

由表1可以看出，2012～2014年，低壓瓦斯中氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在32.00%～47.00%，超出設(shè)計(jì)數(shù)值3.00%至少10倍。氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下相對密度為0.089 9，是密度最小、最輕的氣體，難以被壓縮。相同體積下，氫氣比其他組分含量大。

因此，抽氣壓縮機(jī)在相同吸氣量情況下，氫氣含量增加，抽氣壓縮機(jī)負(fù)荷加重，其實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況發(fā)生偏離。抽氣壓縮機(jī)配套動力電機(jī)電流長時(shí)間處于高標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，定子溫度持續(xù)上升。抽氣壓縮機(jī)電機(jī)無法承受過高載荷，被動調(diào)整載荷加載形式，由1#、4#或2#、3#氣閥組變?yōu)?#、3#或2#、4#氣閥組，以適應(yīng)電機(jī)承載負(fù)荷。

2 抽氣壓縮機(jī)曲軸軸承失效原因分析[4-10]

抽氣壓縮機(jī)曲軸軸承采用剖分式滑動軸承(代號4268-3，由特殊合金材料制成，以鎢金鍍層作為軸承襯)，包裹并支撐曲軸軸頸。潤滑油沿軸承油槽進(jìn)入軸承和軸頸之間，形成油膜起到潤滑及輔助支撐的作用。

2.1載荷加載方式

抽氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)載荷加載方式為1#、4#或者2#、3#氣閥組。由于對稱加載負(fù)荷，一、二級氣缸做功模式為兩級同時(shí)吸氣、同時(shí)排氣，曲軸受力始終對稱平衡，曲軸軸頸在軸承內(nèi)運(yùn)動軌跡保持水平平穩(wěn)。而將抽氣壓縮機(jī)載荷加載形式調(diào)整為1#、3#或者2#、4#組氣閥后，僅能以50%負(fù)荷運(yùn)行以適應(yīng)電機(jī)。由于抽氣壓縮機(jī)非對稱的載荷加載方式，一、二級氣缸做功模式變?yōu)閮杉壱粋?cè)吸氣、另一側(cè)排氣，曲軸受力非對稱平衡且間歇單側(cè)受力，曲軸軸頸呈偏斜不平穩(wěn)。

兩種載荷加載方式下，曲軸軸頸在軸承內(nèi)的運(yùn)動軌跡見圖2。

圖2 曲軸水平受力示圖

由圖2可以看出，由于曲軸受力非對稱平衡，曲軸軸頸在軸承上的著力點(diǎn)不在軸承底部，1#、3#氣閥組加載時(shí)靠近下軸承右下方，2#、4#氣閥組加載時(shí)靠近下軸承左下方。

2.2低壓瓦斯帶液

2015-02，抽氣壓縮機(jī)正處于冬季運(yùn)行階段，由于大氣氣溫低(大氣環(huán)境溫度最低可低于-20 ℃)，低壓瓦斯在管網(wǎng)內(nèi)受低溫影響產(chǎn)生的凝液較多。

自2015-02-02，碳三裝置低壓瓦斯管網(wǎng)帶液情況加重，抽氣壓縮機(jī)入口緩沖罐需要平均每2 h排出殘液，較正常的12 h排液頻次加快，軸承溫度出現(xiàn)波動。至2015-02-05T23:12，抽氣壓縮機(jī)潤滑油壓迅速下降，由0.36 MPa降至0.19 MPa，導(dǎo)致抽氣壓縮機(jī)自保停機(jī)(停機(jī)聯(lián)鎖值為0.20 MPa)，在對抽氣壓縮機(jī)潤滑油箱回油口過濾器進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)大量金屬屑，隨即對抽氣壓縮機(jī)進(jìn)行拆修檢查，其磨損情況見圖3。

圖3 抽氣壓縮機(jī)拆修檢查情況

由圖3可知，原本曲軸受力非對稱平衡，且水平偏移。受低壓瓦斯帶液影響，液相不易被壓縮，在活塞推壓后對氣缸內(nèi)的活塞產(chǎn)生反向沖擊，而活塞桿等運(yùn)動部件聯(lián)動受力后，使曲軸對軸承產(chǎn)生瞬時(shí)敲擊，接觸摩擦后軸承襯表面溫度上升，潤滑油未能及時(shí)冷卻，使得軸承與軸承襯溫差過大，軸承襯鍍層局部脫落，脫落部位延伸至軸承油槽處，形成油路溢出泄放缺口，導(dǎo)致曲軸與軸承間潤滑油跑油嚴(yán)重，不能起到良好的潤滑效果。

2.3瓦斯管網(wǎng)壓力波動

碳三裝置自開工以來，低壓瓦斯管網(wǎng)壓力一直波動較大，管網(wǎng)壓力為15～75 kPa。瓦斯管網(wǎng)壓力波動大，管網(wǎng)壓力的瞬時(shí)升高引起抽氣壓縮機(jī)的負(fù)荷變動，給氣缸內(nèi)活塞及連桿造成瞬間沖擊，使曲軸軸頸與軸承瞬間發(fā)生剛性接觸，加重軸承襯的磨損，導(dǎo)致軸承失效。

2015-07-13T10：50，瓦斯管網(wǎng)壓力出現(xiàn)明顯波動，抽氣壓縮機(jī)油壓緩慢下降，前端、輸出端軸承溫度均緩慢上升，前端軸承溫度由49.30 ℃上升至53.90 ℃，輸出端軸承溫度由50.40 ℃上升至54.10 ℃。

2015-07-13T12：20，前端、輸出端軸承溫度再次升高，前端軸承溫度由53.90 ℃上升至57.90 ℃，輸出端軸承溫度由54.10 ℃上升至58.70 ℃，而抽氣壓縮機(jī)曲軸軸承溫度停機(jī)聯(lián)鎖設(shè)定值為60 ℃。在降低抽氣壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷無效后，于20 min后進(jìn)行了停機(jī)操作。隨即對抽氣壓縮機(jī)進(jìn)行拆機(jī)檢查，用塞尺測量輸出端軸承間隙為0.45 mm，而曲軸與軸承間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.17～0.27 mm。軸承拆檢情況見圖4。

圖4 前端、輸出端軸承拆檢情況

從圖4拆檢情況可知，前端上軸瓦半側(cè)有明顯接觸痕跡，而下軸瓦半側(cè)也有明顯接觸痕跡，輸出端上、下軸瓦與前端上、下軸瓦情況一致，說明曲軸軸頸與軸承的接觸面不在正常情況下的軸承支撐面底部，同時(shí)印證了前文中對曲軸在非對稱平衡狀態(tài)下曲軸軸頸的運(yùn)動軌跡判斷。

單側(cè)間歇受力使得曲軸軸頸在軸承內(nèi)的運(yùn)動呈非水平跳躍軌跡，會造成軸承襯磨損減薄，軸承間隙增大，潤滑油膜難以形成，繼而導(dǎo)致軸承溫度升高。

2.4軸承間隙與潤滑油

2015-07-13停機(jī)維修之后不久，2015-08-16T17∶00，抽氣壓縮機(jī)又因低壓瓦斯管網(wǎng)壓力波動，出現(xiàn)前端、輸出端軸承溫度升高，而輸出端軸承溫度上升較前端軸承溫度上升速度快的現(xiàn)象，抽氣壓縮機(jī)被動停機(jī)拆檢。此次拆檢發(fā)現(xiàn)前端、輸出端軸承襯鍍層脫落面積較2015-07-13拆修時(shí)脫落面積小。因此，可以判斷升溫原因?yàn)檩S承間隙過大導(dǎo)致冷卻潤滑油量不足。

2015-02-05，2015-07-13兩次軸承安裝間隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 軸承安裝間隙統(tǒng)計(jì) mm

圖5 曲軸潤滑油行程圖

綜上所述，抽氣壓縮機(jī)采用非對稱載荷加載方式，曲軸受一、二級氣缸非對稱吸、排氣做功影響，受力不平衡造成曲軸軸頸在軸承內(nèi)運(yùn)動軌跡呈非水平且不穩(wěn)定狀態(tài)。抽氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，易受到管網(wǎng)壓力波動、瓦斯帶液及處理負(fù)荷變化等因素的影響，造成曲軸軸頸對軸承產(chǎn)生瞬時(shí)敲擊而發(fā)生剛性接觸，由此加速了曲軸軸承磨損，造成了曲軸軸承失效。

3 改進(jìn)措施[11-15]

2016-03～06，結(jié)合抽氣壓縮機(jī)實(shí)際處理瓦斯組分情況及低壓瓦斯管網(wǎng)運(yùn)行工況，在原動力電機(jī)不變的前提下，重新核算設(shè)計(jì)抽氣壓縮機(jī)缸體，對抽氣壓縮機(jī)進(jìn)行改造：①重新設(shè)計(jì)一級氣缸，氣缸直徑由1 170 mm縮減到860 mm。②將二級氣缸加裝干式活襯套，缸體直徑由580 mm縮減到560 mm。③重新設(shè)計(jì)飛輪，飛輪增重至2.36 t，以適應(yīng)原動力電機(jī)，其余技術(shù)參數(shù)與原機(jī)相同。

改造后壓縮機(jī)可以滿負(fù)荷加載，載荷加載方式恢復(fù)為1#、4#或2#、3#氣閥組，使抽氣壓縮機(jī)一、二級氣缸同時(shí)吸氣、排氣，曲軸受力對稱平衡，且在軸承內(nèi)運(yùn)動水平平穩(wěn)。

4 結(jié)語

通過對抽氣壓縮機(jī)軸承失效原因的分析，提出了相應(yīng)對策，解決了因?qū)嶋H運(yùn)行工況不符、電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行而被動調(diào)整抽氣壓縮機(jī)載荷加載形式，使曲軸受力不平衡導(dǎo)致軸承失效的根本問題。改造后的壓縮機(jī)運(yùn)行工況符合生產(chǎn)實(shí)際，保證了抽氣壓縮機(jī)長周期的穩(wěn)定運(yùn)行。

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(許編)

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式(9)波形對比如圖2所示.該閾值函數(shù)具有適應(yīng)性能力，可以根據(jù)待處理數(shù)據(jù)的不同，修改α調(diào)節(jié)因子，使去噪效果達(dá)到最優(yōu).

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AnalysisofCausesandCountermeasuresofReciprocatingAirCompressorCrankshaftBearingFailure

JIANGYi,FENGLi-yang,MALi-gang,SHIFu-chen，LIUZhen

(Refinery and Chemistry Craft Plant, Yumen Oilfield Company of CNPC, Jiuquan 735000, China)

Aiming at crankshaft bearing shell failure with the special working conditions of 2D25-115/10.23-BX type reciprocating compressor under unbalance loading, causes analysis from aspects covering loading mode, liquid carryover of low pressure gas, pressure fluctuation of low gas piping net, bearing clearance and lubrication etc. are expatiated based on actual application. Corresponding countermeasures including reducing the 1st stage and the 2nd stage cylinder diameter, adding dry detatchable sleeve and enhancing fly wheel weight etc. to the 2nd stage cylinder based on operation experience.

compressor; bearing; failure; load; unbalanced

TQ050.7； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.014

1000-7466(2017)04-0071-05①

2017-02-26

蔣 毅(1984-)，男，甘肅甘谷人，助理工程師，學(xué)士，主要從事石油化工設(shè)備管理工作。