氫氣壓縮機(jī)常見(jiàn)故障及分析

庹林峰，杜秀娟，王夢(mèng)瑤，杜春，張正國(guó),2＊

（1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.北方民族大學(xué)國(guó)家民委化工技術(shù)基礎(chǔ)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750021）

在大型化工流程中，很多氣氣、氣液或氣固反應(yīng)需要在高壓下進(jìn)行，因此壓縮機(jī)應(yīng)用十分廣泛，其中活塞式壓縮機(jī)是比較常用的壓縮機(jī)之一?；钊綁嚎s機(jī)壓縮效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，可設(shè)計(jì)成低壓、中壓、高壓和超高壓（超過(guò)350 MPa）[1-2]。在等轉(zhuǎn)速下，當(dāng)排氣壓力波動(dòng)時(shí)，活塞式壓縮機(jī)的排氣量基本保持不變。但是活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多，操作或維護(hù)不當(dāng)極易發(fā)生故障。

在化學(xué)工業(yè)中，為了促進(jìn)以氫氣為原料的化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行，通常將氫氣壓縮至高壓，這就需要用到以氫氣為主要輸送介質(zhì)的活塞式壓縮機(jī)。如在合成氨工業(yè)中，氫氮混合氣的進(jìn)氣壓力為0.03 MPa，經(jīng)過(guò)6～7級(jí)壓縮，最終排氣壓力達(dá)到31.4 MPa；在煤化工合成氣制甲醇過(guò)程中，氫與二氧化碳混合氣進(jìn)氣壓力2.5 MPa，經(jīng)過(guò)多級(jí)壓縮最終排氣壓力達(dá)到5～10 MPa（低壓法）或35 MPa（高壓法）[3-4]。

1 氫氣壓縮機(jī)的工作原理及分類

1.1 工作原理

氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。較重要的組件有鑄鐵氣缸、鑄鐵缸套、鑄鐵缸蓋、鑄鐵曲軸、連桿、十字頭（包括十字頭滑道）、填料、活塞（包括活塞環(huán)）、刮油環(huán)、不銹鋼活塞連桿、不銹鋼氣閥等，此外還有一些附屬設(shè)備，如氣體過(guò)濾器、緩沖器、潤(rùn)滑油管路等[4]。同其它往復(fù)式壓縮機(jī)一樣，氫氣壓縮機(jī)包括吸氣、壓縮和排氣3個(gè)過(guò)程。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，曲軸帶動(dòng)十字頭、活塞連桿、活塞在氣缸內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)，氣體在活塞壓縮下最后通過(guò)氣閥排出。

圖1 氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 分類

氫氣壓縮機(jī)按排氣量范圍和排氣壓力進(jìn)行分類，具體類別如表1所示。

表1 氫氣壓縮機(jī)分類

按照基礎(chǔ)地平面與氣缸中心線的相對(duì)位置，氫氣壓縮機(jī)還可分為臥式壓縮機(jī)（地平面與氣缸中心線方向平行，主要有對(duì)置式、單側(cè)式、對(duì)稱平衡式）、立式壓縮機(jī)（地平面與氣缸中心線方向垂直）和角度式壓縮機(jī)（地平面與氣缸中心線方向成一定角度）[5]。立式壓縮機(jī)和氣缸在曲軸一側(cè)的臥式壓縮機(jī)適用小氣量工況。在臥式壓縮機(jī)中，對(duì)稱平衡式壓縮機(jī)應(yīng)用非常廣泛，是大中型往復(fù)式壓縮機(jī)的最佳選擇對(duì)象之一。該壓縮機(jī)的多個(gè)氣缸平均分布在曲軸兩側(cè)，與氣缸中心線方向呈180°夾角。對(duì)置式壓縮機(jī)適用于壓縮高壓氣體的工況，而角度式壓縮機(jī)適用于中小型壓縮機(jī)，其中角度式壓縮機(jī)根據(jù)夾角又可分為W型（60°夾角）、L型（90°夾角）、扇型（40°夾角）等多種類型[5-6]。

2 氫氣壓縮機(jī)型號(hào)及字母含義

為了便于快速識(shí)別壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特征、容積流量、工作壓力等信息，氫氣壓縮機(jī)和其他常見(jiàn)化工動(dòng)設(shè)備一樣，有規(guī)定的型號(hào)，而且各字母具有不同含義，氫氣壓縮機(jī)型號(hào)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 氫氣壓縮機(jī)型號(hào)示意圖

圖2型號(hào)末端的“差異”主要是為了把壓縮機(jī)種類進(jìn)行區(qū)分，一般盡量用字母、數(shù)字的組合表示?！皦毫Α笔侵肝鼩庠跇?biāo)準(zhǔn)大氣壓下，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后公稱排氣壓力的表壓指示值?！肮Q容積流量”是指按照標(biāo)準(zhǔn)吸氣位置所處的工況（壓力、溫度、氣體組分），把壓縮機(jī)排出氣體流量進(jìn)行換算后得到的流量[6]。氫氣壓縮機(jī)“結(jié)構(gòu)”和“特征”代表了壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和具體特征，包含的各字母含義如表2和表3所示[7]。

表2 氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)字母及含義

表3 氫氣壓縮機(jī)特征字母及含義

3 氫氣壓縮機(jī)常見(jiàn)故障

氫氣壓縮機(jī)組制造精度和維護(hù)要求較高，當(dāng)氫氣壓縮機(jī)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行時(shí)，曲軸快速旋轉(zhuǎn)并往復(fù)運(yùn)動(dòng)。曲軸、連桿的一端與十字頭部件相連接，十字頭部件也在曲軸連桿的作用下，在滑道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了氫氣（或含氫混合氣）的壓縮。然而，在曲軸、連桿、十字頭部件長(zhǎng)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，這些部件易發(fā)生磨損，一旦出現(xiàn)較嚴(yán)重磨損會(huì)影響其運(yùn)行質(zhì)量，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停機(jī)進(jìn)行維修，以保障氫氣壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障及原因分析

氫氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)最常見(jiàn)的問(wèn)題就是潤(rùn)滑油壓力低。當(dāng)氫氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)油泵加壓輸送到一級(jí)過(guò)濾器，依次通過(guò)外部潤(rùn)滑油冷卻器、二級(jí)過(guò)濾器后，分為3路。第1路到壓縮機(jī)油壓表（包括遠(yuǎn)傳儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀表）；第2路到達(dá)大頭瓦小段襯套，為其提供潤(rùn)滑；第3路達(dá)到補(bǔ)償泵，以防止油壓限制器漏油。

在潤(rùn)滑油系統(tǒng)的正常維護(hù)過(guò)程中，應(yīng)首先對(duì)各個(gè)油路系統(tǒng)進(jìn)行外觀檢查，特別是管路靜密封點(diǎn)，一旦出現(xiàn)漏油、油漬，要對(duì)存在泄漏的油路管線進(jìn)行緊固。當(dāng)氫氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油路系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)始終為負(fù)壓，因此難以發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油壓力降低[8-9]。為了準(zhǔn)確判斷，在潤(rùn)滑油管路各靜密封點(diǎn)需要詳細(xì)檢查，對(duì)可能泄漏的管路進(jìn)行更換，以消除潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，潤(rùn)滑油的品質(zhì)需要嚴(yán)格檢查，含水量、金屬離子含量等都會(huì)加速潤(rùn)滑油變質(zhì)。如果潤(rùn)滑油不凝氣含量超標(biāo)，潤(rùn)滑油壓力可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。拆檢氫氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑油供油管路，并根據(jù)二級(jí)濾網(wǎng)腔和潤(rùn)滑油冷卻器之間的空隙大小，可以判斷潤(rùn)滑油管路凝氣情況，空隙大則表明凝氣較多。通常有2個(gè)原因易造成該管路凝氣：（1）潤(rùn)滑油對(duì)壓縮機(jī)管路外界空氣具有一定溶解度，難以避免少量空氣溶入；（2）二段油壓限制器裝置回油，與少量未溶入的空氣混合形成空氣泡沫，該泡沫大量聚集時(shí)也會(huì)造成空隙變大[10-11]。為解決該問(wèn)題，應(yīng)將回油管排出口盡量靠近潤(rùn)滑油過(guò)濾器吸入口的遠(yuǎn)端位置，避免空氣泡沫集中到管路中。

3.2 氣閥、活門故障及其維修分析

通常氫氣壓縮機(jī)每運(yùn)行3～6個(gè)月，就要切換備機(jī)，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行維護(hù)或檢修。其中對(duì)氣閥要重點(diǎn)檢查，因?yàn)闅忾y的閥片容易積碳、堆積油泥或粉塵，氣閥彈簧容易斷裂。氣閥壓蓋頂部存在若干頂絲，檢修時(shí)應(yīng)先把頂絲松開(kāi)，置于干凈的歸納盒或無(wú)塵布上，然后松開(kāi)氣閥壓蓋頂部螺栓、螺母，保留對(duì)角方向的兩個(gè)螺栓、螺母不被拆下，直至氣缸沒(méi)有氣體逸出，再全部拆下。最后取下壓蓋及活門壓套，輕輕拉出活門，清理外表可能存在的油污、油泥進(jìn)行材質(zhì)檢查。所有氣閥在安裝前都要用氮?dú)獯驂涸嚶_認(rèn)不漏后才能進(jìn)行安裝。活門故障分析及處理辦法詳見(jiàn)表4[12]。

表4 活門故障分析及處理辦法

3.3 缸體

氣缸內(nèi)壁的光滑和潤(rùn)滑十分重要，活塞在氣缸內(nèi)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氫氣內(nèi)含有粉塵、顆粒狀物時(shí)，氣缸內(nèi)壁不斷出現(xiàn)擦傷、拉毛，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成氣缸報(bào)廢。當(dāng)氣缸內(nèi)壁擦傷或拉毛比較輕微時(shí)，可以使用半圓形的油石輕輕打磨至光滑，即可恢復(fù)使用。當(dāng)氣缸內(nèi)壁擦傷或拉毛較嚴(yán)重時(shí)，如拉傷長(zhǎng)度大于氣缸圓周的1/4，并存在溝槽，且槽寬度大于3 mm，深度大于0.4 mm，則應(yīng)進(jìn)行鏜缸處理[13]。鏜缸是缸體嚴(yán)重磨損時(shí)常用的處理辦法，鏜缸后缸體直徑會(huì)略有增大，但增大值不得超過(guò)原設(shè)計(jì)缸徑的2%，氣缸壁厚減少量不超過(guò)原壁厚的1/12。為了確保配合間隙接近原設(shè)計(jì)，鏜缸后應(yīng)重新選擇與新缸徑相適應(yīng)的活塞和活塞環(huán)[8]。

3.4 十字頭、連桿

十字頭一般使用優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼鍛造，有較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，作用是將活塞桿下端通過(guò)十字頭銷與連桿小端軸承連接，以將活塞所受的動(dòng)力傳遞給連桿、曲軸。連桿是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。十字頭、十字頭銷、滑板及導(dǎo)軌統(tǒng)稱為十字頭組件，由于受壓較大，易發(fā)生裂紋。

更換十字頭的注意事項(xiàng)：（1）當(dāng)中間接座已從中體上拆下，可將十字頭從連接法蘭口取出更換，若中間接座與中體聯(lián)成一體，十字頭更換可在中體測(cè)孔進(jìn)行；（2）在窗口更換時(shí)，將十字頭移至窗口中間（即十字頭滑道中間），并將十字頭沿軸線旋轉(zhuǎn)90°使上下滑道正對(duì)兩側(cè)窗口，然后平行移出窗口，再進(jìn)行修復(fù)和更換；（3）修復(fù)時(shí)，必須注意不得損壞滑道工作面，對(duì)準(zhǔn)道口位置，配合間隙達(dá)到規(guī)定要求[7,12]。

更換連桿大瓦注意事項(xiàng)：（1）利用盤車裝置將更換軸瓦的曲軸頸轉(zhuǎn)至最上位置并設(shè)法使之固定，避免滑動(dòng)造成不必要的事故；（2）先卸下連桿下部的連桿螺栓，借助吊環(huán)螺釘將連桿大頭蓋吊住，再卸下連桿上部的連桿螺栓，并通過(guò)吊環(huán)螺釘將大頭蓋和瓦一起拿下；（3）利用盤車裝置緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，使連桿與曲軸頸分離，取下連桿即可進(jìn)行更換；（4）連桿大頭瓦成對(duì)制作的必須成對(duì)更換；（5）對(duì)連桿螺栓進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；（6）目前連桿大瓦一般為標(biāo)準(zhǔn)薄壁瓦，無(wú)需進(jìn)行刮研，連桿大瓦的間隙應(yīng)嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)要求[7,12]。

更換連桿小瓦注意事項(xiàng)：（1）先卸下定位銷壓緊螺母，取下定位銷，用一圓棒從十字頭銷的一端將十字頭銷打出，使十字頭與連桿分開(kāi)，然后將連桿從機(jī)身上蓋取出，此時(shí)即可進(jìn)行連桿小頭瓦的更換，取連桿時(shí)注意保護(hù)好滑道[13]；（2）更換時(shí)，用壓力將舊軸瓦從連桿小頭壓出，再將新的軸瓦壓入。

3.5 曲軸

主軸頸、曲軸頸的圓錐度、橢圓度＜0.10 mm；主軸水平度＜0.05 mm/M（電機(jī)方向高）。每次檢修要對(duì)曲軸頸進(jìn)行無(wú)損探傷。

更換主軸瓦注意事項(xiàng)：（1）卸下機(jī)身側(cè)蓋和兩端側(cè)蓋，并使曲軸和電機(jī)在連接處分開(kāi)，再松開(kāi)潤(rùn)滑油管和主軸承上蓋，取出主軸承上瓦；（2）用千斤頂置于主軸承兩側(cè)曲軸下的適當(dāng)位置（保持平衡位置），將曲軸頂起約0.1～0.2 mm，以圓棒或其它合適的工具使主軸承下瓦從主軸承座轉(zhuǎn)出，按此方法同樣可將新的主軸承下瓦轉(zhuǎn)進(jìn)主軸承座中，換下舊的主軸承下瓦[7,8,12]；（3）將新的主軸承上瓦和主軸承上蓋裝入主軸承座并按要求緊固主軸承螺栓；（4）主軸瓦成對(duì)制作的必須成對(duì)更換；（5）大頭瓦與曲拐頸的配合間隙，厚壁瓦常用瓦口墊片來(lái)調(diào)整，薄壁瓦的間隙若小可適當(dāng)刮研，若超大只能更換新瓦；（6）測(cè)量配合間隙時(shí)，徑向間隙常用壓鉛法，軸向間隙常用塞尺測(cè)量，也可采用測(cè)量瓦孔徑和軸徑尺寸相減得出徑向間隙，用軸徑長(zhǎng)度和連桿瓦寬度尺寸相減得出軸向間隙；（7）徑向間隙為拐直徑的0.8‰～1.2‰；（8）設(shè)計(jì)值有要求的，主軸瓦間隙應(yīng)嚴(yán)格按照壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)值執(zhí)行[7,8,12]。

4 結(jié)語(yǔ)

在以氫氣為原料氣的化工生產(chǎn)過(guò)程中，氫氣壓縮機(jī)是化學(xué)反應(yīng)的核心設(shè)備。因此，在運(yùn)行中應(yīng)該做好檢修計(jì)劃，定期檢查備機(jī)，按照正規(guī)氫氣壓縮機(jī)廠家要求切換備機(jī)后開(kāi)展檢修工作。此外還要定期對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)檢查，定期清理一二級(jí)潤(rùn)滑油過(guò)濾網(wǎng)，緊固靜密封點(diǎn)。巡檢時(shí)，要用聽(tīng)棒檢查壓縮機(jī)各段聲音是否正常，以判斷鑄鐵缸體、曲軸、連桿等是否正常工作。

本文對(duì)氫氣壓縮機(jī)的工作原理、分類、常見(jiàn)故障進(jìn)行了分析、總結(jié)，為化工行業(yè)操作人員提供了借鑒思路，促進(jìn)了氫氣壓縮機(jī)的運(yùn)行、管理、維護(hù)水平，保證化工裝置的運(yùn)行穩(wěn)定，可以減少氫氣壓縮機(jī)故障停車造成的損失，為企業(yè)創(chuàng)造最大經(jīng)濟(jì)效益。