CO2压缩机三级气缸缸套频繁磨损原因分析及处理措施

吕云辉， 王立明, 杨国策

(青海云天化国际化肥有限公司， 西宁 811600)

2021年5月13日,青海云天化国际化肥有限公司(简称青海云天化)计划性检修化工装置CO2压缩机5#机，发现三级气缸缸套磨损严重，于是更换5#机三级气缸。2021年6月2日,计划性检修化工装置CO2压缩机1#机，发现三级气缸缸套磨损严重，于是更换1#机三级气缸。2021年12月,机组年度大修，发现1#机、5#机三级气缸缸套磨损严重，其中:1#机水平磨损量为0.56～0.72 mm，垂直磨损量为0.88～1.88 mm；
5#机水平磨损量为1.72～2.53 mm，垂直磨损量为0.68～1.45 mm(见图1、图2)。由图1和图2可以看出：除气缸镜面上部无磨痕外，其余部位(左侧、右侧及下部)均有明显磨痕。1#机和5#机组运行仅0.5 a再次出现三级气缸缸套严重磨损的情况，对机组长周期运行非常不利。因此，解决机组三级气缸缸套频繁磨损显得尤为重要。

2.1 工艺流程

合成氨装置送来的CO2气体(φ(CO2)≥98.5%)压力为0.040 MPa,温度为20～40 ℃。将其送入界区，通过CO2液滴分离器除去水分、加入钝化空气后至送入CO2压缩机，经压缩机五级压缩至13.7～14.7 MPa,脱氢后送至尿素工段作为生产尿素的原料气[1-2]。

2.2 工作原理

CO2压缩机利用电动机驱动主轴旋转，主轴的曲轴带动连杆大头做圆周运行，使连杆小头带动十字头在滑道上做往复运行，十字头又通过活塞杆带动活塞在气缸内做往复运行，经气阀将气体吸入并压出气缸，从而达到压缩和输送气体的目的[3-4]。

2.3 设备简介

青海云天化共5台往复式压缩机/活塞式压缩机，其中一期有3台，二期有2台，型号分别为6MD-178/146(一期)、6MD-215/146(二期)，主电机型号为TK3500-20/2600,由潍坊市昌泰机械有限公司设计制造，设计参数见表1。该CO2压缩机分五级压缩，压缩参数见表2。其中,第一级由2个气缸组成，其余各级均为1个气缸。压缩机主要由机身(曲轴箱)、气缸、连杆、十字头、气阀、填料及刮油环、中体、中间接筒、盘车机构、活塞杆及活塞等组成(见图3)。气缸缸套镶嵌在气缸中，缸套磨损无法使用时，只需更换缸套即可，节约了备件采购费用。

表1 CO2压缩机设计参数

表2 CO2压缩机压缩参数

影响CO2压缩机三级气缸缸套频繁磨损的因素较多，如进口分离器分离效果差导致缸体带水严重、活塞环与缸套润滑不良、设计缺陷等。根据对该机组近年来的检修与分析，最后将分析重心集中到了以下3个方面，并逐一排查。

3.1 分离器分离效果较差

合成氨装置分离器内的分离元件为丝网除沫器，直径为2 000 mm，体积为16.7 m3。正常运行过程中进入分离器的CO2气体带水量较大(分离水质量流量为6～7 t/h)，气体体积流量达33 000 m3/h，现设备内气体流速约为3.4 m/s，丝网除沫器处流速约为3.47 m/s。根据HG/T 21618—1998 《丝网除沫器执行标准》计算，丝网除沫器的操作流速应为2.2～3.5 m/s，由此可见设备正常运行时介质流速已达到设计允许的最高流速。由于进入丝网除沫器的CO2气体含水量较大，并且流速较高，造成丝网分离效率降低，部分水被带至CO2压缩机，从而影响CO2压缩机安全稳定运行。经分析，机组在运行过程中，有38 L/h的水被带入CO2压缩机气缸，对气缸缸套磨损冲击较大。因此气缸缸套带水严重是引起缸套磨损的主要原因之一。

3.2 润滑不良

机组在运行过程中，润滑不良会加大对气缸缸体、活塞环、支撑环的磨损。根据现场注油情况可在一级南缸、北缸(均有3个注油孔)对缸体进行注油，二级、五级气缸也有2个注油孔可以对缸体进行注油，唯独三级、四级气缸仅有1个注油孔对缸体进行注油，但是四级气缸缸体较小，缸体磨损较小。三级气缸缸体较大，1个注油孔明显无法满足气缸缸体、活塞环、支撑环的润滑。注油器设计每分钟注油12滴，现场调整至15滴，但是气缸缸体磨损情况并无明显改善，因此可排除润滑不良引起的磨损。

3.3 设计缺陷

3.3.1 气缸缸体硬度不足

经现场实测，一级和五级气缸缸体(缸套)硬度为HRC24～HRC27,缸套材质为合金铸铁JT25-47D，材质分析见表3。从表3可以看出：设计值与现场实测值差别较大。咨询部分CO2压缩机厂商，其缸套硬度均在HRC40～HRC50，因此青海云天化所采用的CO2压缩机缸套硬度偏小。

表3 三级气缸缸套化学成分

3.3.2 活塞体设计缺陷

CO2压缩机三级活塞体材质为HT250，质量较大，运行过程中对气缸下部镜面磨损较大，活塞体自身磨损也较大，对活塞杆造成不良影响。活塞体支撑环在中间位置，并且只有1个，设计不合理(见图4、图5)。运行过程中活塞体在气缸内的平衡度无法保障，机组运行不平稳。

3.3.3 活塞环材质选用不当

活塞环材质为HT250，硬度比气缸缸壁镜面硬度高10%～15%，更容易造成气缸缸壁镜面磨损，活塞环自身磨损也较大。

3.3.4 活塞环尺寸偏小

活塞环轴向和径向尺寸设计偏小，活塞环宽度为9 mm，厚度为13.8 mm，耐磨性较差。

由以上分析可知，引起CO2压缩机三级气缸缸套频繁磨损的因素主要是分离器分离效果较差导致气缸带水严重,以及活塞体、活塞环、支撑环设计存在缺陷。

由于现场条件有限，因此只对分离器、活塞体、活塞环、支撑环进行改造。

4.1 分离器改造

在原设备基础上对进口分布器和分离元件进行改造，改造后10 μm及以上的液滴达到100%分离。丝网除沫器改造为叶片式分离元件，采用新型分布器，降低气体带液量。分离工作原理为气体、液体和固体混合物进入分离器，其流速降低，流动方向改变，混合物经过过滤元件，根据过滤元件精度，将大于元件孔隙的组分过滤下来，从而达到分离目的(见图6)。2021年12月年度大修期间对分离器内件进行了改造，截止到2022年3月6日，该分离器已累计运行40 d，带水体积流量由38 L/h降低至26 L/h，减少了12 L/h，改造效果明显。

4.2 活塞体改进

4.2.1 活塞体支撑环设在活塞体两侧

活塞体支撑环设在活塞体两侧，有效长度由160 mm增加至180 mm(见图7)。

4.2.2 活塞环分布在活塞体中间

改造前活塞环设计在活塞体两侧,将其改为分布在活塞体中间(见图7)，材质更换为改性聚四氟乙烯，并填充石墨和碳纤维等。改造后活塞环的硬度低于气缸缸套的硬度，不会对气缸镜面造成较大的磨损。活塞环轴向尺寸(宽度)由9 mm增加至12 mm，径向尺寸(厚度)由13.8 mm增加至16 mm。

4.2.3 活塞体材质改造

活塞体材质由HT250改为ZL108，ZL108质量较轻，改造后活塞体质量约为改造前活塞体质量的1/3，并且经厂家技术人员核算满足要求。

活塞端面最大压差ΔP为:

ΔP=P2-P1

(1)

式中：P2为三级气缸出口压力，MPa；
P1为三级气缸进口压力，MPa。

当量圆直径Dd为:

(2)

式中：d2为活塞体外壁直径，mm；
d1为活塞体正面毂部直径，mm；
i为加强筋数。

活塞端面厚度δ为:

(3)

式中：[σω]为许用弯曲应力，MPa；
δ1为铸造偏差附加值，一般取4 mm。

端面中最大弯曲应力σω为:

(4)

活塞体毂部切应力τ为:

(5)

式中：D为活塞体外径。

比压q为:

(6)

式中：P为最大活塞力，kN；
d4为活塞体背面毂部直径，mm；
d3为活塞体孔径，mm。

改造后三级活塞体圆柱凸肩和活塞体毂部示意图见图8、图9。

根据厂家提供的资料，以及查阅《活塞式压缩机设计》，已知P1=0.9 MPa，P2=2.2 MPa，d1=200 mm,d2=365 mm,i=6,D=457,P=380 kN,d3=93 mm,d4=190 mm。将各参数代入式(1)～式(6)可知，ΔP=1.3 MPa，Dd=124.65 mm，δ=25.79 mm，σω=12.85 MPa，τ=13.16 MPa，q=17.63 MPa。铸铝活塞体许用弯曲应力[σω]≤20 MPa，铸铝活塞体毂部许用切应力[τ]≤25 MPa，因此铸铝活塞体安全可用。

活塞体改造后，可以有效减小气缸缸套磨损，延长使用周期，使活塞体在气缸内的平衡度得以保障，保证活塞体平稳运行，有利于纠正活塞体窜动磨损活塞环和气缸缸套镜面，减小机组振动。非金属活塞环硬度较低、自润滑性好、摩擦因数较低、韧性优良，对气缸缸套磨损较小，强度高、弹性和耐热性较好、耐磨性优良。该改造延长了机组的运行周期，活塞体、气缸、活塞环、支撑环至少使用8 000 h，同时减少了备件采购费用，节约了检修人力资源。