往復(fù)式壓縮機(jī)連桿大頭瓦監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

劉 桂，李西銀，張林治

(安徽晉煤中能化工股份有限公司 安徽臨泉 236400)

0 前言

大型往復(fù)式壓縮機(jī)是化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵動力設(shè)備。近年來，隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展和各生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)能力的持續(xù)擴(kuò)大，壓縮機(jī)制造也日趨向大推力、多列氣缸發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)784.5 kN(80 000 kgf)活塞力、七列活塞的大型活塞式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的安全、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)對提高生產(chǎn)效率、降低消耗顯得越來越重要。在壓縮機(jī)日常運行過程中，經(jīng)常因連桿大頭瓦故障發(fā)現(xiàn)不及時而出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象，嚴(yán)重時曲軸抱軸、燒毀，造成巨大損失。其主要原因之一就是連桿大頭一直繞曲軸軸線做圓周運動，無法像主軸瓦一樣建立固定監(jiān)測點，即連桿瓦的運行監(jiān)測一直是個技術(shù)盲區(qū)。

對于連桿瓦運行狀態(tài)的監(jiān)測，傳統(tǒng)方法是依靠操作人員和維修人員定期聽、看、摸、手動測量，存在很大的局限性，對操作人員和維修人員的經(jīng)驗和責(zé)任心要求很高，而且故障在2個巡檢周期之間隨時都有可能發(fā)生。一般的對策就是隨壞隨修，比較好的方法是定期更換連桿瓦，但既不經(jīng)濟(jì)又會縮短壓縮機(jī)有效生產(chǎn)時間。

建立連桿瓦實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在故障發(fā)生之時及時發(fā)現(xiàn)，在故障惡化之前及時消除，對于生產(chǎn)裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行及降低生產(chǎn)成本具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研制思路

往復(fù)式壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)使用的滑動軸瓦都屬于液體動壓潤滑軸承，工作時，靠油泵輸送的潤滑油的動壓力形成油膜隔開兩摩擦表面并承受載荷，油膜不僅可以承受載荷，減少摩擦甚至實現(xiàn)油的內(nèi)摩擦，而且不斷帶走因摩擦產(chǎn)生的熱量。軸瓦損壞主要表現(xiàn)為合金點蝕、松脫、剝落，引起軸瓦損壞的因素主要有潤滑油黏度、安裝對中精確程度、軸頸與軸瓦加工精度、配合間隙、軸承與軸頸的寬徑比、壓縮機(jī)負(fù)荷等。壓縮機(jī)各運動部件之間都有可靠的連接和配合間隙，當(dāng)機(jī)件出現(xiàn)松動(如活塞桿連接螺母或十字頭連接法蘭松動)或配合間隙增大(如連桿大小頭瓦配合間隙、十字頭銷與十字頭配合間隙增大)時，則會改變軸承的動力特性，引起轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，并且在過臨界轉(zhuǎn)速時振動峰值非常大，導(dǎo)致動靜件之間發(fā)生摩擦并發(fā)出異常聲響，機(jī)組振動隨之加劇[1]。

安徽晉煤中能化工股份有限公司各生產(chǎn)系統(tǒng)共有大型往復(fù)式壓縮機(jī)20余臺，根據(jù)日常維護(hù)、檢維修、故障判斷處理方面積累的經(jīng)驗，在壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時，故障發(fā)生部位的溫升一般都較大，甚至有灼熱感。溫升的主要原因：軸承出現(xiàn)故障后，合金出現(xiàn)塊狀剝落，剝落的合金斑塊顆粒不會全部被循環(huán)液壓油帶走，部分合金斑塊顆粒夾雜在軸承間隙內(nèi)，從而改變了軸瓦與曲軸的配合間隙，造成潤滑面急劇摩擦，產(chǎn)生大量的摩擦熱，而摩擦熱又加熱了循環(huán)油及連桿體，在連桿瓦繞曲軸旋轉(zhuǎn)的情況下，高熱循環(huán)油在離心力的作用下被甩至曲軸箱大蓋和其他部位，其運動軌跡基本是固定不變的。因此，通過捕捉循環(huán)油油溫就可以監(jiān)測軸承的運行情況。

2 具體實施措施

(1)如圖1所示，最初采用手槍式測溫槍測量曲軸箱大蓋上相鄰2列連桿溫升最高點，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)2列連桿溫升相近或保持一定溫差值時，軸瓦運行正常；當(dāng)2列連桿溫升發(fā)生變化時，停機(jī)檢查，軸瓦都不同程度出現(xiàn)了損壞，驗證了通過測量溫度變化以判斷軸瓦運行情況的可行性。

圖1 最佳測溫點的選擇示意

圖2 測溫點安裝深度示意

(2)加裝鎧裝鉑電阻[2]。循環(huán)油甩至曲軸箱大蓋底部，經(jīng)過熱傳導(dǎo)，熱量不同程度出現(xiàn)擴(kuò)散，僅測量曲軸箱大蓋溫度，還無法直觀反映軸瓦運行情況，測量的靈敏性和準(zhǔn)確性大打折扣。通過測量計算，在曲軸箱大蓋頂部對稱2列活塞中心與曲軸箱列向中心間隔167 mm處，即相鄰2列連桿溫升最大點打孔、攻絲，然后加裝鎧裝鉑電阻，直接測量油溫變化。鎧裝鉑電阻型號為PT100，鉑電阻插入深度不超過50 mm(圖2)，超過此數(shù)值，連桿會與電阻發(fā)生碰撞。電阻量程設(shè)定為0～100 ℃，測量結(jié)果通過導(dǎo)線引入操作儀表盤直接顯示，并可以設(shè)定危險報警值及時預(yù)警。鎧裝鉑電阻直接測量的是從連桿大頭出來的循環(huán)油油溫，使靈敏性提高至最大，每次軸瓦出現(xiàn)故障都能被及時發(fā)現(xiàn)，避免了故障的惡化。

一般相鄰2列連桿在負(fù)荷和其他工況出現(xiàn)變化時，連桿大頭油溫并不一定相等，略有差別，判斷故障的依據(jù)就是溫差變化的相對值。以6M50氫氮氣壓縮機(jī)為例，連桿大頭油溫及溫差如表1所示。

表1 6M50氫氮氣壓縮機(jī)連桿大頭油溫及溫差

(3)加裝振動變送器(測振儀)。如圖3所示，振動變送器固定在曲軸箱側(cè)面，在對應(yīng)列活塞中心位置，高度在曲軸軸心水平位置。每列連桿可各加裝1只振動變送器，也可根據(jù)用戶要求選擇活塞力較大的級列加裝。振動變送器測量范圍：振動速度有效值0～20 mm/s，工作溫度-30～80 ℃。與鎧裝鉑電阻相同，振動速度有效值通過導(dǎo)線接入操作儀表盤直接顯示，同樣可以設(shè)定危險報警值及時預(yù)警。

圖3 振動變送器(測振儀)安裝位置示意

3 應(yīng)用效果

目前，安徽晉煤中能化工股份有限公司已對12臺4M50和6M50型氫氮氣壓縮機(jī)進(jìn)行了增設(shè)連桿大頭瓦監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的改造，在壓縮機(jī)運行過程中能及時有效地監(jiān)測到連續(xù)繞軸運轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)連桿大頭瓦的使用情況，并在故障惡化前及時預(yù)警，通過聯(lián)鎖裝置可以實現(xiàn)及時停機(jī)，避免抱軸、燒瓦等惡性事故的發(fā)生，切實保障壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運行，使設(shè)備維護(hù)費用降至最低。以1#合成氨系統(tǒng)10#和11#6M50型氫氮氣壓縮機(jī)為例，2臺壓縮機(jī)自2012年底投運以來，由于諸多因素的影響，一段和二段連桿大頭瓦頻繁燒瓦，每年更換大頭瓦的費用高達(dá)12萬元以上(每副大頭瓦的更換費用平均在3 000元左右)。2015年底，這2臺壓縮機(jī)實施連桿大頭瓦監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)改造后，連桿大頭瓦使用壽命提高至120 d以上，2016年至今平均每年的大頭瓦更換費用不到4萬元。