往復(fù)活塞式壓縮機(jī)故障機(jī)理分析

王雁飛

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西　長(zhǎng)治　046100）

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)故障機(jī)理分析

王雁飛

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西長(zhǎng)治046100）

摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，石油天然氣等能源需求缺口不斷加大，供需矛盾進(jìn)一步突出，加快國(guó)內(nèi)外油氣資源勘探開發(fā)和提高國(guó)內(nèi)煤層氣資源利用是解決能源供需矛盾非常現(xiàn)實(shí)而有效的途徑。文章以DF-5/10-40型煤層氣壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)常見故障的機(jī)理進(jìn)行了分析，以期拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：往復(fù)活塞式；壓縮機(jī)；故障

煤層氣田由單井采出的煤層氣需通過集氣站集氣后集中輸送、凈化處理所帶水分和固體雜質(zhì)、增壓處理等環(huán)節(jié)以滿足外輸要求。往復(fù)式壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，通過曲軸和連桿使活塞在氣缸中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮。但就目前的使用情況看，它雖屬于最原始的壓縮機(jī)之一，仍是非常通用的一種壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)適用壓力范圍廣，不論流量大小，均能達(dá)到所需壓力；能適應(yīng)較大的壓力范圍且排氣范圍也較廣，往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)材料要求也不高，機(jī)身多用造價(jià)低廉的普通鋼鐵材料，裝置系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，可維修性強(qiáng)；熱效率高，單位耗電量少；技術(shù)上較為成熟，生產(chǎn)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1　往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

該往復(fù)式壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮，主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣缸組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是指運(yùn)動(dòng)部件，包括原動(dòng)機(jī)、曲軸、連桿、活塞等，其作用是連接基礎(chǔ)部件與氣缸部分以傳遞動(dòng)力。

壓縮機(jī)的原動(dòng)機(jī)為壓縮機(jī)提供能量，該壓縮機(jī)原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)采用三角皮帶連接傳動(dòng)，這樣能減少震動(dòng)提高傳動(dòng)效率。曲軸是壓縮機(jī)的重要工作部件之一，它負(fù)擔(dān)傳遞全部驅(qū)動(dòng)扭力。十字頭連接連桿與活塞桿，連桿是將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過十字頭轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將作用在活塞上的推力傳給曲軸?；钊谄鐑?nèi)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，活塞的頭部切有裝活塞環(huán)的槽，用于安裝密封環(huán)和刮油環(huán)，從而起到密封的作用，活塞桿的尾部裝有填料函，填料函組件作用是阻止氣缸內(nèi)氣體沿氣缸與運(yùn)動(dòng)著的活塞桿外圓面的間隙向外泄露。機(jī)體又稱機(jī)身或曲軸箱，是安裝曲軸，缸體等部件的基礎(chǔ)零件。氣缸是活塞式壓縮機(jī)中形成壓縮溶劑的主要部件，包括缸體和缸蓋。進(jìn)氣閥和排氣閥是控制氣缸吸氣和排氣過程的部件，目前壓縮機(jī)主要采用的是隨管路壓力變化而自行開閉的自動(dòng)缸。中間冷卻系統(tǒng)是保證分級(jí)壓縮達(dá)到節(jié)省功率消耗的關(guān)鍵。

2　往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理

往復(fù)式壓縮機(jī)工作時(shí)，其電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，通過十字頭變成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。十字頭帶動(dòng)活塞桿，使活塞桿在氣缸內(nèi)隨之作往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊谄變?nèi)每做一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮機(jī)就完成一次循環(huán)運(yùn)動(dòng)，一次循環(huán)包括膨脹、吸入、壓縮、排氣四個(gè)過程。電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)使壓縮氣體不斷吸入、排出。（如圖1）

A—B是膨脹過程：在A點(diǎn)排氣完畢后，活塞位于氣缸左止點(diǎn)，排氣閥關(guān)閉，曲軸旋轉(zhuǎn)角度為0度。此時(shí)壓力為排氣壓力Pd，氣缸頭端余隙內(nèi)殘留的余隙氣體膨脹，在曲軸旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，活塞向右運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，氣體在膨脹的過程中壓力減小，即曲線A-B段所示，活塞運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)氣體與缸外氣體達(dá)到平衡狀態(tài)，膨脹過程完畢。

B—C是吸氣過程：缸頭端氣體力減小到足以使吸氣閥打開的狀態(tài)，達(dá)到吸氣壓力Ps，從B點(diǎn)開始，吸氣腔內(nèi)氣體進(jìn)入缸體，曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞也隨之右行到右止點(diǎn)C，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，缸頭端的容積達(dá)到最大，缸頭端內(nèi)充滿氣體，吸氣完成。

C—D是壓縮過程：曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞由右止點(diǎn)C向左運(yùn)動(dòng)，這時(shí)吸氣閥關(guān)閉，隨著活塞繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，缸頭端內(nèi)的氣體受到壓縮體積減小，壓力相應(yīng)增大。直到活塞運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)，缸頭端內(nèi)的氣體壓力達(dá)到排氣壓力Pd，為最大氣體壓力。

D—A是排氣過程：到達(dá)D點(diǎn)后，伴隨著活塞向右移動(dòng)，氣體壓力增大，排氣閥在氣體壓力的作用下被頂開，氣體不斷進(jìn)入排氣腔內(nèi)，從而被排出。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到左止點(diǎn)A時(shí)，缸頭端的容積達(dá)到最小，但是不是零，因?yàn)楦最^端內(nèi)還殘留一部分氣體，此時(shí)氣體壓力是排氣壓力Pd。

壓縮機(jī)做一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的四個(gè)過程中，壓縮過程與膨脹過程都是熱力過程，吸氣和排氣過程不屬于熱力過程范疇。因?yàn)樵趬嚎s與膨脹時(shí)，氣體的質(zhì)量沒有發(fā)生變化，只是氣體的狀態(tài)和參數(shù)改變了，屬于等溫過程、絕熱過程或者多變過程。而吸氣和排氣過程氣體的質(zhì)量發(fā)生了變化，所以是一個(gè)質(zhì)量遷移過程。

3　往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障分析

DF-5/10-40型往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的故障多樣且復(fù)雜：一類是流體性質(zhì)的故障，屬于機(jī)器熱力性能故障，主要表征為壓縮機(jī)工作時(shí)排氣不足，排氣壓力溫度及級(jí)間壓力溫度的異常。一類是機(jī)械性能故障，主要表征為往復(fù)式壓縮機(jī)的過熱，振動(dòng)等。往復(fù)式壓縮機(jī)故障多發(fā)的部位主要是下列三部分：①動(dòng)力傳遞部分——曲軸、連桿、十字頭、活塞桿部件故障。②缸體部件——進(jìn)氣閥、排氣閥、氣社、填料、活塞環(huán)等部位的故障。③輔助部分——主要是中間冷卻器的故障。

（1）吸排氣閥漏氣往復(fù)式壓縮機(jī)中，氣閥的故障率最高，通常往復(fù)式壓：縮機(jī)有60％以上的故障發(fā)生在氣閥上。氣閥一旦發(fā)生故障，會(huì)影響到壓縮機(jī)的產(chǎn)氣量，增加功率損耗，降低可靠性。氣閥主要由彈簧、陶片、閥座、升程限制器組成；閥片在兩邊壓差的作用下開啟，在彈賛作用力下關(guān)閉，是氣閥的關(guān)鍵部件；彈賛是為了緩沖閩片與閥蓋的撞擊。

（2）活塞組件及氣缸故障此部分故障占重大事故的25％左右，填料函屬于壓縮機(jī)的密封元件，由一系列密封環(huán)組成，它一方面阻止外界氣流沿活塞桿進(jìn)入缸體內(nèi)，同時(shí)也限制氣缸內(nèi)的氣體順著活塞桿向缸外泄漏進(jìn)入大氣。填料函泄漏會(huì)使壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力下降，排氣量減少?；钊麠U可能會(huì)由于疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，而損壞活塞和氣缸，帶來人員傷亡和生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備損壞等。

（3）傳動(dòng)組件和輔助部件故障傳動(dòng)組件的損壞可能會(huì)造成一系列連鎖性破壞。在正常情況下，曲軸與軸承、連桿大頭瓦和曲軸銷、連桿小頭瓦和活塞桿、十字頭與滑道、活塞桿與填料等摩擦也會(huì)使溫度變高。潤(rùn)滑作用和金屬的熱傳導(dǎo)作用會(huì)帶走大部分熱量，使溫度控制在正常范圍之內(nèi)。當(dāng)這些部位的溫度超過給定值，則說明可能出現(xiàn)了不正常情況，稱之為過熱。過熱會(huì)加速設(shè)備部件的損壞，嚴(yán)重了可能會(huì)燒毀摩擦表面，造成機(jī)器重大事故。冷卻水系統(tǒng)故障也會(huì)增大吸排氣溫度，從而使壓縮功增大，增加耗能量，影響排氣量。