呂云輝， 王立明, 楊國策

(青海云天化國際化肥有限公司， 西寧 811600)

1 概況

2021年5月13日,青海云天化國際化肥有限公司(簡稱青海云天化)計劃性檢修化工裝置CO2壓縮機5#機，發(fā)現(xiàn)三級氣缸缸套磨損嚴(yán)重，于是更換5#機三級氣缸。2021年6月2日,計劃性檢修化工裝置CO2壓縮機1#機，發(fā)現(xiàn)三級氣缸缸套磨損嚴(yán)重，于是更換1#機三級氣缸。2021年12月,機組年度大修，發(fā)現(xiàn)1#機、5#機三級氣缸缸套磨損嚴(yán)重，其中:1#機水平磨損量為0.56～0.72 mm，垂直磨損量為0.88～1.88 mm；5#機水平磨損量為1.72～2.53 mm，垂直磨損量為0.68～1.45 mm(見圖1、圖2)。由圖1和圖2可以看出：除氣缸鏡面上部無磨痕外，其余部位(左側(cè)、右側(cè)及下部)均有明顯磨痕。1#機和5#機組運行僅0.5 a再次出現(xiàn)三級氣缸缸套嚴(yán)重磨損的情況，對機組長周期運行非常不利。因此，解決機組三級氣缸缸套頻繁磨損顯得尤為重要。

2 CO2壓縮機

2.1 工藝流程

合成氨裝置送來的CO2氣體(φ(CO2)≥98.5%)壓力為0.040 MPa,溫度為20～40 ℃。將其送入界區(qū)，通過CO2液滴分離器除去水分、加入鈍化空氣后至送入CO2壓縮機，經(jīng)壓縮機五級壓縮至13.7～14.7 MPa,脫氫后送至尿素工段作為生產(chǎn)尿素的原料氣[1-2]。

2.2 工作原理

CO2壓縮機利用電動機驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸的曲軸帶動連桿大頭做圓周運行，使連桿小頭帶動十字頭在滑道上做往復(fù)運行，十字頭又通過活塞桿帶動活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運行，經(jīng)氣閥將氣體吸入并壓出氣缸，從而達到壓縮和輸送氣體的目的[3-4]。

2.3 設(shè)備簡介

青海云天化共5臺往復(fù)式壓縮機/活塞式壓縮機，其中一期有3臺，二期有2臺，型號分別為6MD-178/146(一期)、6MD-215/146(二期)，主電機型號為TK3500-20/2600,由濰坊市昌泰機械有限公司設(shè)計制造，設(shè)計參數(shù)見表1。該CO2壓縮機分五級壓縮，壓縮參數(shù)見表2。其中,第一級由2個氣缸組成，其余各級均為1個氣缸。壓縮機主要由機身(曲軸箱)、氣缸、連桿、十字頭、氣閥、填料及刮油環(huán)、中體、中間接筒、盤車機構(gòu)、活塞桿及活塞等組成(見圖3)。氣缸缸套鑲嵌在氣缸中，缸套磨損無法使用時，只需更換缸套即可，節(jié)約了備件采購費用。

表1 CO2壓縮機設(shè)計參數(shù)

表2 CO2壓縮機壓縮參數(shù)

3 存在問題及原因分析

影響CO2壓縮機三級氣缸缸套頻繁磨損的因素較多，如進口分離器分離效果差導(dǎo)致缸體帶水嚴(yán)重、活塞環(huán)與缸套潤滑不良、設(shè)計缺陷等。根據(jù)對該機組近年來的檢修與分析，最后將分析重心集中到了以下3個方面，并逐一排查。

3.1 分離器分離效果較差

合成氨裝置分離器內(nèi)的分離元件為絲網(wǎng)除沫器，直徑為2 000 mm，體積為16.7 m3。正常運行過程中進入分離器的CO2氣體帶水量較大(分離水質(zhì)量流量為6～7 t/h)，氣體體積流量達33 000 m3/h，現(xiàn)設(shè)備內(nèi)氣體流速約為3.4 m/s，絲網(wǎng)除沫器處流速約為3.47 m/s。根據(jù)HG/T 21618—1998 《絲網(wǎng)除沫器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)》計算，絲網(wǎng)除沫器的操作流速應(yīng)為2.2～3.5 m/s，由此可見設(shè)備正常運行時介質(zhì)流速已達到設(shè)計允許的最高流速。由于進入絲網(wǎng)除沫器的CO2氣體含水量較大，并且流速較高，造成絲網(wǎng)分離效率降低，部分水被帶至CO2壓縮機，從而影響CO2壓縮機安全穩(wěn)定運行。經(jīng)分析，機組在運行過程中，有38 L/h的水被帶入CO2壓縮機氣缸，對氣缸缸套磨損沖擊較大。因此氣缸缸套帶水嚴(yán)重是引起缸套磨損的主要原因之一。

3.2 潤滑不良

機組在運行過程中，潤滑不良會加大對氣缸缸體、活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損。根據(jù)現(xiàn)場注油情況可在一級南缸、北缸(均有3個注油孔)對缸體進行注油，二級、五級氣缸也有2個注油孔可以對缸體進行注油，唯獨三級、四級氣缸僅有1個注油孔對缸體進行注油，但是四級氣缸缸體較小，缸體磨損較小。三級氣缸缸體較大，1個注油孔明顯無法滿足氣缸缸體、活塞環(huán)、支撐環(huán)的潤滑。注油器設(shè)計每分鐘注油12滴，現(xiàn)場調(diào)整至15滴，但是氣缸缸體磨損情況并無明顯改善，因此可排除潤滑不良引起的磨損。

3.3 設(shè)計缺陷

3.3.1 氣缸缸體硬度不足

經(jīng)現(xiàn)場實測，一級和五級氣缸缸體(缸套)硬度為HRC24～HRC27,缸套材質(zhì)為合金鑄鐵JT25-47D，材質(zhì)分析見表3。從表3可以看出：設(shè)計值與現(xiàn)場實測值差別較大。咨詢部分CO2壓縮機廠商，其缸套硬度均在HRC40～HRC50，因此青海云天化所采用的CO2壓縮機缸套硬度偏小。

表3 三級氣缸缸套化學(xué)成分

3.3.2 活塞體設(shè)計缺陷

CO2壓縮機三級活塞體材質(zhì)為HT250，質(zhì)量較大，運行過程中對氣缸下部鏡面磨損較大，活塞體自身磨損也較大，對活塞桿造成不良影響。活塞體支撐環(huán)在中間位置，并且只有1個，設(shè)計不合理(見圖4、圖5)。運行過程中活塞體在氣缸內(nèi)的平衡度無法保障，機組運行不平穩(wěn)。

3.3.3 活塞環(huán)材質(zhì)選用不當(dāng)

活塞環(huán)材質(zhì)為HT250，硬度比氣缸缸壁鏡面硬度高10%～15%，更容易造成氣缸缸壁鏡面磨損，活塞環(huán)自身磨損也較大。

3.3.4 活塞環(huán)尺寸偏小

活塞環(huán)軸向和徑向尺寸設(shè)計偏小，活塞環(huán)寬度為9 mm，厚度為13.8 mm，耐磨性較差。

由以上分析可知，引起CO2壓縮機三級氣缸缸套頻繁磨損的因素主要是分離器分離效果較差導(dǎo)致氣缸帶水嚴(yán)重,以及活塞體、活塞環(huán)、支撐環(huán)設(shè)計存在缺陷。

4 改進措施

由于現(xiàn)場條件有限，因此只對分離器、活塞體、活塞環(huán)、支撐環(huán)進行改造。

4.1 分離器改造

在原設(shè)備基礎(chǔ)上對進口分布器和分離元件進行改造，改造后10 μm及以上的液滴達到100%分離。絲網(wǎng)除沫器改造為葉片式分離元件，采用新型分布器，降低氣體帶液量。分離工作原理為氣體、液體和固體混合物進入分離器，其流速降低，流動方向改變，混合物經(jīng)過過濾元件，根據(jù)過濾元件精度，將大于元件孔隙的組分過濾下來，從而達到分離目的(見圖6)。2021年12月年度大修期間對分離器內(nèi)件進行了改造，截止到2022年3月6日，該分離器已累計運行40 d，帶水體積流量由38 L/h降低至26 L/h，減少了12 L/h，改造效果明顯。

4.2 活塞體改進

4.2.1 活塞體支撐環(huán)設(shè)在活塞體兩側(cè)

活塞體支撐環(huán)設(shè)在活塞體兩側(cè)，有效長度由160 mm增加至180 mm(見圖7)。

4.2.2 活塞環(huán)分布在活塞體中間

改造前活塞環(huán)設(shè)計在活塞體兩側(cè),將其改為分布在活塞體中間(見圖7)，材質(zhì)更換為改性聚四氟乙烯，并填充石墨和碳纖維等。改造后活塞環(huán)的硬度低于氣缸缸套的硬度，不會對氣缸鏡面造成較大的磨損?；钊h(huán)軸向尺寸(寬度)由9 mm增加至12 mm，徑向尺寸(厚度)由13.8 mm增加至16 mm。

4.2.3 活塞體材質(zhì)改造

活塞體材質(zhì)由HT250改為ZL108，ZL108質(zhì)量較輕，改造后活塞體質(zhì)量約為改造前活塞體質(zhì)量的1/3，并且經(jīng)廠家技術(shù)人員核算滿足要求。

活塞端面最大壓差ΔP為:

ΔP=P2-P1

(1)

式中：P2為三級氣缸出口壓力，MPa；P1為三級氣缸進口壓力，MPa。

當(dāng)量圓直徑Dd為:

(2)

式中：d2為活塞體外壁直徑，mm；d1為活塞體正面轂部直徑，mm；i為加強筋數(shù)。

活塞端面厚度δ為:

(3)

式中：[σω]為許用彎曲應(yīng)力，MPa；δ1為鑄造偏差附加值，一般取4 mm。

端面中最大彎曲應(yīng)力σω為:

(4)

活塞體轂部切應(yīng)力τ為:

(5)

式中：D為活塞體外徑。

比壓q為:

(6)

式中：P為最大活塞力，kN；d4為活塞體背面轂部直徑，mm；d3為活塞體孔徑，mm。

改造后三級活塞體圓柱凸肩和活塞體轂部示意圖見圖8、圖9。

根據(jù)廠家提供的資料，以及查閱《活塞式壓縮機設(shè)計》，已知P1=0.9 MPa，P2=2.2 MPa，d1=200 mm,d2=365 mm,i=6,D=457,P=380 kN,d3=93 mm,d4=190 mm。將各參數(shù)代入式(1)～式(6)可知，ΔP=1.3 MPa，Dd=124.65 mm，δ=25.79 mm，σω=12.85 MPa，τ=13.16 MPa，q=17.63 MPa。鑄鋁活塞體許用彎曲應(yīng)力[σω]≤20 MPa，鑄鋁活塞體轂部許用切應(yīng)力[τ]≤25 MPa，因此鑄鋁活塞體安全可用。

5 結(jié)語

活塞體改造后，可以有效減小氣缸缸套磨損，延長使用周期，使活塞體在氣缸內(nèi)的平衡度得以保障，保證活塞體平穩(wěn)運行，有利于糾正活塞體竄動磨損活塞環(huán)和氣缸缸套鏡面，減小機組振動。非金屬活塞環(huán)硬度較低、自潤滑性好、摩擦因數(shù)較低、韌性優(yōu)良，對氣缸缸套磨損較小，強度高、彈性和耐熱性較好、耐磨性優(yōu)良。該改造延長了機組的運行周期，活塞體、氣缸、活塞環(huán)、支撐環(huán)至少使用8 000 h，同時減少了備件采購費用，節(jié)約了檢修人力資源。