DPC2803型往復(fù)式壓縮機(jī)組動(dòng)力缸體開裂原因分析

樊興科 趙鵬輝（北京杰利陽(yáng)能源設(shè)備制造有限公司，北京 100101）

DPC2803型往復(fù)式壓縮機(jī)組動(dòng)力缸體開裂原因分析

樊興科 趙鵬輝（北京杰利陽(yáng)能源設(shè)備制造有限公司，北京 100101）

針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組頻繁動(dòng)力缸體薄弱處開裂的原因進(jìn)行研究分析，并研究實(shí)施一些措施，降低缸體的損壞率，延長(zhǎng)其使用壽命。

缸體構(gòu)造及原理；缸體開裂原因分析；診斷設(shè)備應(yīng)用；預(yù)防措施

缸體為可燃?xì)怏w壓縮、燃燒和膨脹的空間，保障壓縮機(jī)組功率需求，工作條件惡劣。做功的燃燒過程中，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2200～2800℃，壓力可達(dá)1～3MPa，它的內(nèi)壁直接受到高溫高壓氣體的作用，而外壁又受到風(fēng)(或水)的冷卻，使缸體承受較大的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，因此要求氣缸套要有足夠的強(qiáng)度和剛度，且工作時(shí)變形小。此外，氣缸體對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，氣缸內(nèi)壁除受活塞的側(cè)壓力外，還受由于活塞的高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的強(qiáng)烈的摩擦作用，是發(fā)動(dòng)機(jī)磨損最嚴(yán)重的表面之一，處于這樣惡劣的工作條件下，動(dòng)力缸體在燃燒方面，一旦相關(guān)聯(lián)的因素發(fā)生改變，就會(huì)導(dǎo)致缸體開裂或燒蝕損壞。

1 動(dòng)力缸體構(gòu)造及原理

動(dòng)力缸體為薄壁多孔整體鑄件，制造工藝要求高，內(nèi)部經(jīng)過車磨、行磨加工，內(nèi)部表面鍍鉻，增強(qiáng)缸體金屬穩(wěn)定性、耐高溫、高壓、高頻次摩擦；同時(shí)缸體工作溫度高。

工作原理：當(dāng)活塞向氣缸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞后部?jī)?nèi)腔形成瞬時(shí)負(fù)壓，混合閥靠壓差打開，動(dòng)力缸吸入新鮮空氣，活塞頭部首先關(guān)閉進(jìn)氣口，然后再封閉排氣口，燃?xì)鈬娚溟y靠液壓力打開，燃?xì)膺M(jìn)入動(dòng)力缸，活塞繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就是壓縮沖程；封在活塞頭部?jī)?nèi)的這部分混合氣體在接近壓縮沖程終點(diǎn)前，由火花塞點(diǎn)燃，混合氣體燃燒膨脹作功，使動(dòng)力活塞向曲軸端運(yùn)動(dòng)，這就是作功沖程；當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)至不能封閉排氣口時(shí)，燃燒后的廢氣就由排氣口排出，活塞繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣口被打開，這時(shí)，在壓縮沖程中進(jìn)入后部的空氣已被壓縮到具有一定的壓力，形成掃氣泵，再此壓力下，新鮮的空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入活塞頭部的空腔，并吹掃殘留在缸內(nèi)的廢氣，有助于廢氣的排氣。

2 動(dòng)力缸體開裂原因分析

2.1 動(dòng)力缸體生產(chǎn)制造存在質(zhì)量缺陷

動(dòng)力缸體整體鑄造時(shí)，材質(zhì)處理不當(dāng)存在氣泡或沙眼，氣缸體強(qiáng)度降低，缸內(nèi)高溫、高壓工作時(shí)，易是缺陷的地方開裂損壞。

2.2 缸體內(nèi)點(diǎn)火燃燒異常

依據(jù)動(dòng)力缸工作原理，影響動(dòng)力缸點(diǎn)火燃燒異常的主要因素有：點(diǎn)火元器件故障、點(diǎn)火正時(shí)異常、燃?xì)饨M分發(fā)生改變、潤(rùn)滑異常、設(shè)備超負(fù)荷或重負(fù)荷運(yùn)行及空氣過濾裝置異常，主要原因?yàn)閯?dòng)力缸內(nèi)點(diǎn)火紊亂爆燃爆震，導(dǎo)致缸體進(jìn)氣口或排氣口薄弱處開裂。

爆燃爆震指在正常的燃燒結(jié)束前發(fā)生爆炸性的沖擊波，在燃燒室自動(dòng)點(diǎn)火前鋒未到達(dá)前引起的極端紊流和極速的不規(guī)則燃燒。

2.2.1 點(diǎn)火元器件故障

點(diǎn)火元器件：由磁電機(jī)、高壓線圈、高壓點(diǎn)火線、火花塞組成[3]。

每臺(tái)壓縮機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，由多個(gè)動(dòng)力缸體組成，當(dāng)某一個(gè)動(dòng)力缸點(diǎn)火元器件異常，動(dòng)力缸內(nèi)部會(huì)發(fā)生失火現(xiàn)象或點(diǎn)火能量不足，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粔颍l(fā)生爆燃爆振現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間在此情況下工作，動(dòng)力缸內(nèi)活塞頻繁爆震，高頻次沖擊，致使動(dòng)力缸體應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)排口及注油口開裂損壞，同時(shí)單缸負(fù)荷不穩(wěn)定，也會(huì)導(dǎo)致其它動(dòng)力缸超負(fù)荷或重負(fù)荷工作，長(zhǎng)期運(yùn)行也會(huì)使缸體磨損或開裂損壞。

2.2.2 點(diǎn)火正時(shí)異常

點(diǎn)火正時(shí)：俗稱點(diǎn)火提前角，由于火焰?zhèn)鞑ニ俣葐栴}，為使動(dòng)力缸在到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)溫度、壓力達(dá)到最高，在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前就點(diǎn)火，從點(diǎn)火開始到活塞到達(dá)上死點(diǎn)這段時(shí)間曲軸所轉(zhuǎn)過的角度稱為點(diǎn)火提前角[3]。

點(diǎn)火提前角異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力缸內(nèi)發(fā)生早燃及失火現(xiàn)象，動(dòng)力燃燒室內(nèi)早燃為火花塞點(diǎn)燃可燃混合氣體前的先期燃燒，燃燒室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生極速溫升引起發(fā)動(dòng)機(jī)損傷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力缸體薄弱處開裂；動(dòng)力燃燒室內(nèi)失火為過大的空燃比導(dǎo)致間斷的火焰?zhèn)鞑?，燃?xì)饬坎蛔阋渣c(diǎn)火并在燃燒室傳播，長(zhǎng)時(shí)間間斷性失火，動(dòng)力缸內(nèi)活塞爆震敲缸，導(dǎo)致動(dòng)力缸體薄弱處開裂損壞。

2.2.3 燃?xì)饨M分發(fā)生改變

往復(fù)式壓縮機(jī)組燃料氣主要為天然氣，天然氣主要成分為甲烷，隨產(chǎn)地不同，甲烷的含量也不同，一般為85%至95%。

燃?xì)馓匦詤?shù)：SLHV,btu/ft3:939.03；

MJ/Nm3：37.92；

S.G.:0.610

內(nèi)混注氣和空燃比調(diào)整的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組，燃?xì)鈭?zhí)行DEMA標(biāo)準(zhǔn)，確保壓縮機(jī)組安全連續(xù)、滿負(fù)荷運(yùn)行，無爆燃敲缸、無功率降和任何特殊調(diào)整；燃?xì)饨M分發(fā)生變化時(shí)勢(shì)必會(huì)影響動(dòng)力缸體內(nèi)部點(diǎn)火情況，由于集氣站式燃?xì)鈮嚎s機(jī)所使用的燃料氣，大多為分離器分離之后的天然氣（不是商品氣），燃料氣內(nèi)含有液體及輕質(zhì)油，尤其在隨著氣田的進(jìn)一步開發(fā)，氣藏地質(zhì)情況的特性，所開采的天然氣組分進(jìn)一步惡化，燃?xì)鈨?nèi)輕質(zhì)油及液體含量相對(duì)升高，同時(shí)進(jìn)入動(dòng)力缸內(nèi)，參與燃燒，由于輕質(zhì)油易燃易爆，穩(wěn)定性低，易使動(dòng)力缸燃燒室內(nèi)發(fā)生爆燃爆振，導(dǎo)致動(dòng)力缸體應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)排口或注油口開裂損壞。

2.2.4 潤(rùn)滑異常

整體式往復(fù)式壓縮機(jī)組，潤(rùn)滑一般有兩種方式：飛濺式潤(rùn)滑和注油潤(rùn)滑[3]。

曲軸箱采用飛濺式潤(rùn)滑：連桿攪油作用使機(jī)油飛濺，十字頭滑道、連桿小頭、主軸承蓋等上面有收集潤(rùn)滑油的集油盤和連接油道，使機(jī)油到達(dá)軸承和滑道內(nèi)。

注油潤(rùn)滑：包含：高位油箱、Y型過濾器、注油器、注油泵、比例分配器、單向閥，主要對(duì)動(dòng)力缸體、壓縮缸體及填料進(jìn)行潤(rùn)滑。

高位油箱：容積208L，補(bǔ)充曲軸箱的機(jī)油液位和給注油泵供油，內(nèi)有加熱器溫度控制。

Y型過濾器：過濾大的固體顆粒，過濾精度較低。定期清洗。

注油器：由臥軸驅(qū)動(dòng)，內(nèi)有減速機(jī)構(gòu)和凸輪軸，用來驅(qū)動(dòng)注油泵。內(nèi)部加潤(rùn)滑油。

注油泵：柱塞泵，由凸輪驅(qū)動(dòng)，從高位油箱供油，經(jīng)過柱塞加壓把機(jī)油注入到動(dòng)力缸、壓縮缸、壓縮填料。

比例分配器：注油器潤(rùn)滑油經(jīng)過燒結(jié)過濾器進(jìn)入到分配器，按照比例分配到每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)。

單向閥：防止氣鎖，氣缸內(nèi)的高壓氣體竄到注油管路內(nèi)，導(dǎo)致油出不來。

潤(rùn)滑油要求，主要技術(shù)參數(shù)對(duì)粘度和閃點(diǎn)有特殊要求，整體式往復(fù)式壓縮機(jī)組手冊(cè)建議使用潤(rùn)滑油為殼牌SAE30或Mo?bil飛馬701號(hào)機(jī)油，而多數(shù)情況，用戶在選用潤(rùn)滑油時(shí)，考慮成本問題，多數(shù)會(huì)調(diào)整更換潤(rùn)滑油，同時(shí)潤(rùn)滑油需要定期監(jiān)測(cè)分析及更換，潤(rùn)滑油異常時(shí)，主要有以下兩種情況：

當(dāng)潤(rùn)滑油量少時(shí)，動(dòng)力缸燃燒室不能有效潤(rùn)滑，會(huì)加大動(dòng)力缸體的磨損，降低其使用壽命。

潤(rùn)滑油粘度不達(dá)標(biāo)或污染失效時(shí)，在動(dòng)力缸燃燒室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量積碳，堵塞排氣口，同時(shí)熾熱的積碳會(huì)在缸內(nèi)形成高溫?zé)狳c(diǎn)，致使動(dòng)力缸內(nèi)發(fā)生早燃現(xiàn)象，燃燒室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生極速溫升引起發(fā)動(dòng)機(jī)損傷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力缸體薄弱處開裂，此類現(xiàn)象稱為壓縮機(jī)組無聲殺手；同時(shí)燃燒產(chǎn)生的積碳不僅使活塞環(huán)卡在槽內(nèi)，導(dǎo)致活塞環(huán)失效，而且在一定條件下積碳會(huì)燃燒，導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生爆炸事故。

2.2.5 設(shè)備重負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行

通過對(duì)200多臺(tái)次的往復(fù)式整體式壓縮機(jī)組日常管理維護(hù)，當(dāng)壓縮機(jī)組負(fù)荷率在75%～95%時(shí)，運(yùn)行狀況最佳，壓縮機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定；95%～100%時(shí)，火花塞易燒蝕，缸內(nèi)積碳較多，同時(shí)缸體表面有劃痕燒蝕現(xiàn)象，稱為重負(fù)荷運(yùn)行；＞100%時(shí)，易出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足，壓縮機(jī)排煙管冒黑煙，稱為超負(fù)荷運(yùn)行。

設(shè)備重負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為確保正常的功率輸出，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)同比增高，致使各部件加速磨損，同時(shí)動(dòng)力缸溫也會(huì)很高，缸溫高時(shí)潤(rùn)滑油的粘度會(huì)降低，潤(rùn)滑性能也會(huì)降低，會(huì)影響動(dòng)力缸燃燒室內(nèi)的有效潤(rùn)滑，燃燒室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量積碳，堵塞卡滯活塞環(huán)或者附著火花塞電極處影響放電火花，缸內(nèi)易出現(xiàn)間斷性失火，并且積碳會(huì)堵塞排氣口，進(jìn)一步提升動(dòng)力缸溫。

動(dòng)力缸長(zhǎng)期處于高溫高壓運(yùn)行，加劇缸體磨損，同時(shí)熾熱點(diǎn)的積碳會(huì)在缸內(nèi)形成高溫?zé)狳c(diǎn)，致使動(dòng)力缸內(nèi)發(fā)生早燃現(xiàn)象，燃燒室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生極速溫升引起發(fā)動(dòng)機(jī)損傷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力缸體薄弱處開裂。

3 動(dòng)力缸體維護(hù)預(yù)防措施

3.1 定期維護(hù)保養(yǎng)

嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)機(jī)型維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)及設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。

（1）機(jī)組定期保養(yǎng)時(shí)，拆卸檢查火花塞電極燒蝕或腐蝕情況?；鸹ㄈ麩g或腐蝕嚴(yán)重時(shí)，建議拆卸檢查動(dòng)力缸內(nèi)部，及時(shí)清潔動(dòng)力缸內(nèi)積碳及更換失效的活塞環(huán)；同時(shí)檢查缸內(nèi)潤(rùn)滑油膜，必要時(shí)調(diào)整潤(rùn)滑油量，確保缸內(nèi)有效潤(rùn)滑，可有效降低缸內(nèi)燃燒室的早燃、失火現(xiàn)象的發(fā)生概率，保護(hù)缸體的使用壽命。

（2）定期使用專用點(diǎn)火正時(shí)燈檢查機(jī)組點(diǎn)火正時(shí)角度，防止動(dòng)力缸內(nèi)過早或過晚點(diǎn)火，確保缸內(nèi)工作的穩(wěn)定性，杜絕爆燃爆振現(xiàn)象發(fā)生。

（3）通過對(duì)應(yīng)機(jī)型設(shè)備排量計(jì)算軟件，核算機(jī)組運(yùn)行工況，杜絕重負(fù)荷或超負(fù)荷現(xiàn)象的發(fā)生，提高設(shè)備的使用壽命。

（4）及時(shí)與客戶溝通聯(lián)系，當(dāng)氣體組分發(fā)生較大變化時(shí)，及時(shí)取樣分析，并根據(jù)分析報(bào)告，核算燃?xì)獾姆€(wěn)定性指標(biāo)參數(shù)，嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，建議對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行多次過濾處理，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，必要時(shí)調(diào)整維護(hù)保養(yǎng)內(nèi)容及周期。

（5）按照對(duì)應(yīng)手冊(cè)潤(rùn)滑油技術(shù)參數(shù)要求進(jìn)行潤(rùn)滑油選型，并且定期對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣分析，監(jiān)測(cè)油品氧化等衰變相關(guān)的項(xiàng)目及磨損腐蝕相關(guān)的項(xiàng)目[1]，很據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果更換潤(rùn)滑油，同時(shí)制定科學(xué)合理的潤(rùn)滑油更換周期，確保設(shè)備各部件有效潤(rùn)滑。

（6）及時(shí)清理堵塞的空氣濾網(wǎng)，更換破損的空氣濾網(wǎng)，防止空氣中的粉塵或雜質(zhì)進(jìn)入動(dòng)力缸內(nèi)參與燃燒，縮短動(dòng)力缸體使用壽命。

3.2 定期狀態(tài)檢測(cè)分析

利用狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備定期對(duì)壓縮機(jī)組整體運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，通過點(diǎn)火、壓力、溫度及震動(dòng)曲線圖監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)動(dòng)力缸內(nèi)工作情況，可發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)的早期的故障癥狀，指導(dǎo)檢修人員及早的消除故障隱患源，延長(zhǎng)缸體的使用壽命；同時(shí)可有效診斷分析疑難故障，精準(zhǔn)判斷，提高檢維修效率。

3.3 在線檢測(cè)系統(tǒng)

為進(jìn)一步保障壓縮機(jī)組的運(yùn)行安全可靠性，可在機(jī)組動(dòng)力缸體安裝壓力、溫度、震動(dòng)等相關(guān)相位傳感器，進(jìn)行遠(yuǎn)程時(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，編制監(jiān)測(cè)程序，通過科學(xué)計(jì)算分析，可有效監(jiān)控壓縮機(jī)組早期故障現(xiàn)象，同時(shí)預(yù)警維修人員對(duì)機(jī)組該部位進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保故障消除在萌芽狀態(tài)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)組核心部位使用壽命，實(shí)現(xiàn)降本增效。

4 結(jié)語(yǔ)

往復(fù)式壓縮機(jī)組動(dòng)力缸體拉裂，主要是因影響設(shè)備運(yùn)行狀況的因素發(fā)生了變化所導(dǎo)致，主要為動(dòng)力缸內(nèi)燃燒異常，發(fā)生爆燃爆震，活塞高頻次沖擊震動(dòng)，致使動(dòng)力缸體薄弱處開裂損壞。

4.1 誘導(dǎo)動(dòng)力缸燃燒的主要因素主要有

（1）燃料氣質(zhì)發(fā)生改變，燃燒抗爆性差或者含有其它物質(zhì)參與燃燒，形成結(jié)塊物，加速缸體磨損[2]。

（2）潤(rùn)滑油量過量或不足，缸內(nèi)產(chǎn)生大量積碳，發(fā)生早燃現(xiàn)象或者潤(rùn)滑不到位，加劇缸體的磨損，降低其使用壽命。

（3）壓縮機(jī)組工況變化大，壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性差，頻繁性重負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行，縮短各部件的使用壽命。

4.2 預(yù)防缸體開裂的主要措施

（1）按照手冊(cè)內(nèi)技術(shù)要求，定期對(duì)壓縮機(jī)組各部位進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，同時(shí)根據(jù)保養(yǎng)情況，進(jìn)行部件技術(shù)診斷分析，及時(shí)更換失效的附件，確保核心部件的使用壽命。

（2）利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，定期對(duì)燃料氣、潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣分析，并通過專業(yè)的技術(shù)軟件對(duì)燃料氣熱值及潤(rùn)滑油性能進(jìn)行計(jì)算分析，確保動(dòng)力缸內(nèi)點(diǎn)火的穩(wěn)定性及有效潤(rùn)滑；同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行離線在線監(jiān)測(cè)分析，監(jiān)測(cè)動(dòng)力缸內(nèi)點(diǎn)火、壓力及溫度曲線，降低動(dòng)力缸體故障率，延長(zhǎng)其使用壽命。

[1]李開連《油氣設(shè)備潤(rùn)滑油管理及油液監(jiān)測(cè)技術(shù)》，北京：石油工業(yè)出版社，2014.12.112-119.

[2]楊其明，嚴(yán)新平，賀石中.油液監(jiān)測(cè)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1-3.

[3]DPC-2803/2804技術(shù)手冊(cè),5-10.