往復(fù)式活塞壓縮機(jī)故障分析

1往來(lái)復(fù)式基本裝置在海上平臺(tái)上，油田采用國(guó)外一家海外制造的前動(dòng)力明清壓縮機(jī)。經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，它經(jīng)常出現(xiàn)軸瓦、軸磨損等大型故障，這不僅降低了設(shè)備的利用率，而且給油田的安全生產(chǎn)帶來(lái)了重大隱患。往復(fù)式活塞壓縮機(jī)主要由曲軸箱、曲軸、連桿、十字頭、活塞、缸體等部件組成，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示。該往復(fù)式壓縮機(jī)軸瓦采用的是薄壁式滑動(dòng)軸瓦類型，可以承受較大載荷，具有良好的減磨性、適應(yīng)性、壓入性，使用壽命長(zhǎng)。但我平臺(tái)壓縮機(jī)軸瓦平均使用壽命僅為1a左右，嚴(yán)重低于正常使用壽命，且機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)值偏高，穩(wěn)定在8mm/s左右(廠家建議值：4～6mm/s)。為解決壓縮機(jī)軸瓦異常磨損問(wèn)題，需對(duì)該機(jī)組進(jìn)行深入分析，查找問(wèn)題根源，優(yōu)化設(shè)備工況。2軸瓦磨損分析2.1主軸瓦磨損頻次收集現(xiàn)場(chǎng)故障資料發(fā)現(xiàn)，連桿大頭瓦及曲軸主軸瓦均存在不同程度的磨損，尤其是連桿大頭瓦磨損頻次較高。經(jīng)過(guò)對(duì)軸瓦磨損形態(tài)的分析，完成對(duì)軸瓦磨損原因的初步判定。2.1.1顯微裂紋因載荷變化而產(chǎn)生的疲勞連桿大頭瓦表面受到交替變化載荷作用，使軸瓦表面產(chǎn)生往復(fù)作用的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。如果軸瓦承受的載荷超出了許用極限，會(huì)導(dǎo)致合金層表面產(chǎn)生顯微裂紋，隨著應(yīng)力的不斷重復(fù)，特別是當(dāng)潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋縫隙后，由于潤(rùn)滑油的見裂作用，使裂紋在軸承中不斷擴(kuò)展，最后形成疲勞破壞。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，軸瓦表面鍍層脫落，漏出底部合金層，如圖2所示。2.1.2潤(rùn)滑系統(tǒng)故障原因分析由于曲軸主軸頸變形(圓錐形)或機(jī)身主軸瓦孔變形，導(dǎo)致曲軸與軸瓦一側(cè)先接觸，使該側(cè)承受了絕大部分的載荷，超出了油膜承載能力，造成了潤(rùn)滑不充分的現(xiàn)象發(fā)生，加劇了軸承的磨損，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)潤(rùn)滑系統(tǒng)排查、軸瓦配合間隙檢測(cè)等措施排除了機(jī)組潤(rùn)滑不良影響因素，通過(guò)主軸換新、軸瓦座檢測(cè)、軸瓦換新等措施排除了部件存在缺陷影響因素，通過(guò)機(jī)組曲軸箱安裝調(diào)試、電機(jī)單轉(zhuǎn)測(cè)試、對(duì)中調(diào)整、地腳軟腳檢查等措施排除了安裝不當(dāng)影響因素。綜上所述，該機(jī)組軸瓦異常磨損按照常規(guī)思路難以解決，需要進(jìn)行深度分析，查找故障根源。2.2軸瓦磨損深度分析2.2.1機(jī)組普及法向力通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)零件的測(cè)繪、原廠資料的整理及機(jī)組運(yùn)動(dòng)件相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)分析，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力計(jì)算采用API618—2007標(biāo)準(zhǔn)，分別得出了氣體力、往復(fù)慣性力、綜合活塞力及曲軸法向力，具體數(shù)值如表1所示。可以看出機(jī)組往復(fù)慣性力較大，機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速與活塞行程疊加后的活塞線速度為6.307m/s(原設(shè)計(jì)為6.26m/s)，活塞線速度超過(guò)了國(guó)際主流廠家通常都遵循的不超過(guò)6.0m/s的設(shè)計(jì)原則。機(jī)組較高的活塞線速度導(dǎo)致最大拉伸往復(fù)慣性力155kN，機(jī)組允許綜合桿載荷值156kN，曲拐和十字頭銷負(fù)載率接近100%，沒(méi)有安全余量。連桿大頭瓦承受的最大法向力為169kN，超過(guò)了機(jī)組允許綜合桿載荷值，違反高速往復(fù)機(jī)所有運(yùn)動(dòng)部件受力不超過(guò)機(jī)組綜合桿載荷的設(shè)計(jì)基本原則，機(jī)組在此種工況下運(yùn)行存在軸瓦過(guò)早損壞的風(fēng)險(xiǎn)。2.2.2軸瓦比壓計(jì)算利用軸瓦比壓計(jì)算公式，計(jì)算得出軸瓦在此載荷下所承受的最大比壓為23MPa(正常情況銅合金軸瓦使用比壓為15～20MPa)，超出了國(guó)際壓縮機(jī)廠商常規(guī)的軸瓦設(shè)計(jì)許用值，極易導(dǎo)致軸瓦過(guò)早產(chǎn)生疲勞破壞。軸瓦比壓計(jì)算公式：P=F/(D?L式中：P為軸瓦比壓；F為軸承所受載荷；D為軸瓦直徑；綜上所述，該機(jī)組軸瓦磨損是由于軸瓦受力過(guò)大所致，機(jī)組設(shè)計(jì)存在一定缺陷，為解決軸瓦異常磨損故障，需對(duì)該機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造。3優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)設(shè)備針對(duì)軸瓦異常磨損主因，圍繞降低軸瓦受力載荷、改善軸瓦運(yùn)行工況，共設(shè)計(jì)了3套改造方案。3.1降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，使用壽命通過(guò)機(jī)組軸瓦磨損故障分析可以看出，機(jī)組較高的轉(zhuǎn)速以及活塞線速度對(duì)于機(jī)組本身的安全運(yùn)行造成潛在風(fēng)險(xiǎn)，降低機(jī)組轉(zhuǎn)速可以有效降低該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，同時(shí)可以提高機(jī)組磨損部件使用壽命。機(jī)組降低轉(zhuǎn)速(由1500rpm降至1000rpm)后，處理能力將有所降低，機(jī)組降速后運(yùn)行參數(shù)見表2。3.2頭連連塔機(jī)組安全分析往復(fù)慣性質(zhì)量與機(jī)組承受的往復(fù)力密切相關(guān)，通過(guò)機(jī)組大頭連桿瓦、曲拐和十字頭銷負(fù)載率方面的分析報(bào)告可以看出，該機(jī)組在這些方面存在安全余量不足。降低機(jī)組往復(fù)慣性質(zhì)量可有效降低往復(fù)力，可以解決軸瓦異常磨損故障。3.3方案3：改變厚帶的寬度或直徑通過(guò)改變軸瓦寬度或直徑可以降低軸瓦比壓，改善軸瓦受力情況。綜合分析以上3項(xiàng)改造方案可行性，從經(jīng)濟(jì)角度考慮優(yōu)先選擇改造方案二。4壓縮后評(píng)估系統(tǒng)的應(yīng)用及效果為了改善機(jī)組的受力情況，從降低往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量入手，對(duì)原運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)原機(jī)組一級(jí)活塞體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)分析，在不降低原運(yùn)動(dòng)件使用性能的前提下，機(jī)組的總往復(fù)質(zhì)量大約可以降低21.7%，優(yōu)化后的軸瓦比壓可以降低14%，且小于20MPa。同時(shí)只選擇活塞改造，其他部件可以不做相應(yīng)改動(dòng)，改造成本較低，后期維修影響較小。通過(guò)對(duì)活塞體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，原結(jié)構(gòu)為兩側(cè)鍛鋁中間鋼套，將中間鋼套改為鍛鋁材料并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以顯著改善軸瓦的受力狀況，提升軸瓦的疲勞壽命。改造前后對(duì)比見圖4、圖5，活塞輕量化后數(shù)據(jù)對(duì)比見表3、表4。此項(xiàng)改造改善了軸瓦受力工況，還避免了二級(jí)十字頭加裝配重塊來(lái)達(dá)到配重要求的情況，避免了機(jī)組運(yùn)行過(guò)程配重塊掉落對(duì)十字頭、連桿產(chǎn)生較大力矩的大型故障發(fā)生，降低了設(shè)備大型故障發(fā)生的幾率。本次改造通過(guò)了國(guó)內(nèi)知名壓縮機(jī)廠的技術(shù)認(rèn)可，并委托具有相關(guān)資質(zhì)的單位定制新活塞。新活塞加工完成后，委托某裝備公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。機(jī)組測(cè)試結(jié)果表明，運(yùn)行參數(shù)正常，機(jī)組振動(dòng)得到顯著改善，降至5mm/s左右，如圖6所示。壓縮機(jī)活塞輕量化改造自2018年9月調(diào)試成功后，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至2019年6月，已累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)6300h，壓縮機(jī)振動(dòng)及電機(jī)振動(dòng)值明顯降低，無(wú)軸瓦異常磨損故障發(fā)生，各項(xiàng)指標(biāo)正常，改造效果良好。為了更好地評(píng)估檢驗(yàn)輕量化改造的效果，委托第三方進(jìn)行壓縮機(jī)輕量化改造后評(píng)估工作，檢測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)后機(jī)組各部件技術(shù)數(shù)據(jù)并與初始裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定是否存在偏差，是否需要進(jìn)行必要的整改和調(diào)整。經(jīng)過(guò)后評(píng)估機(jī)組拆卸檢測(cè)，軸瓦未出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)動(dòng)件間的配合間隙基本無(wú)變化，均在廠家手冊(cè)要求允許范圍內(nèi)，活塞未見異常，機(jī)組各部件狀態(tài)良好。這表明，壓縮機(jī)活塞輕量化改造取得成功。5機(jī)組輕量化改造效果通過(guò)對(duì)機(jī)組動(dòng)力學(xué)分析、軸瓦比壓計(jì)算，發(fā)現(xiàn)機(jī)組設(shè)計(jì)存在一定缺陷，找到軸瓦磨損問(wèn)題的根源