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往復式壓縮機反向角機械事故分析

文檔作者：梁鳳喜文檔來源：中海油氣(泰州)石化有限公司)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月02日
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276 化工機械2015定
往復式壓縮機反向角機械事故分析
梁鳳喜8
(中海油氣(泰州)石化有限公司)
摘要針對高壓加氫裝置所采用的往復式壓縮機十字頭銷與小頭瓦燒研粘舍的事故，分析反向角在
壓縮機設(shè)計和使用過程中的重要性，并提出解決方案。
關(guān)鍵詞往復式壓縮機反向角十字頭尾桿無級氣量調(diào)節(jié)
中圖分類號TQ051．21 文獻標識碼B 文章編號0254—6094(2015)02．0276-03
國內(nèi)處理量較小的高壓加氫裝置通常采用組
合式往復壓縮機，壓縮機將新鮮氫氣加壓輸送到
反應系統(tǒng)用以補充反應所耗氫氣。往復式壓縮機
通過曲柄連桿機構(gòu)將曲軸旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的
往復運動，其主要優(yōu)點是效率高、壓比高、對進氣
壓力的穩(wěn)定性要求較低、無喘振現(xiàn)象，在石化行業(yè)
得到大規(guī)模應用。但在某些工況下會出現(xiàn)反向角
過小甚至為零的現(xiàn)象，油膜難以建立，從而導致諸
如十字頭銷與小頭瓦燒研粘合之類的機械事故發(fā)
生。筆者通過分析反向角過小導致機械事故產(chǎn)生
的原因，并提出解決方案。
1 反向角的概念及應用
載荷反向角是指在啦軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，
連桿力是拉力的曲軸轉(zhuǎn)角與連桿力是壓力的曲軸
轉(zhuǎn)角相比較時較小的那個值。反向角通常也稱為
反向度，指壓縮機曲軸旋轉(zhuǎn)一周時，綜合反向負荷
持續(xù)時間內(nèi)曲柄轉(zhuǎn)過的角度¨“1。如圖1所示，
連桿力F。與滑道支持力F。的合力與活塞力F，
平衡，活塞力F，的大小與方向隨曲軸的旋轉(zhuǎn)而發(fā)
生變化。
圖1 氣缸受力示意圖
連桿載荷反向主要是由活塞壓力反向產(chǎn)生
的，壓力反向發(fā)生在活塞壓力由缸蓋側(cè)的高壓變
為曲軸箱側(cè)高壓的過程中。如圖2所示，在一個
曲軸旋轉(zhuǎn)周期中(活塞由外死點到內(nèi)死點再返回
外死點的過程)，在點4和點B處，活塞兩側(cè)壓力
相等。在點A和點曰之間，缸蓋側(cè)壓力將小于曲
軸箱側(cè)壓力，因而活塞桿逐漸變?yōu)槭芾Γ诸^
銷襯套的間隙將改變，十字頭銷將被推向氣缸側(cè)。
在點A和點8區(qū)間之外，壓力又將反向，十字頭
銷被推向曲軸箱側(cè)。隨著曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，十字
頭銷兩側(cè)將時開時閉，均能得到潤滑并能保持一
定時間的油膜。如果壓縮機運轉(zhuǎn)過程中反向角過
小或為零，則十字頭銷只能承載一個方向的活塞
力，使十字頭銷與連桿小頭瓦之間不能形成正常
的潤滑油膜，導致小頭瓦局部溫度偏高，進而造成
嚴重磨損或燒研。
{梁風喜，男，1988年2月生，助理工程師。江蘇省泰州市，225321。
萬方數(shù)據(jù)
第42卷第2期化工機械277
反向角是一個重要的技術(shù)指標，在壓縮機的
設(shè)計、使用和維護中不可忽視?；诮怯虻耐鶑?
壓縮機連桿小頭瓦故障診斷，可有效分析出連桿
小頭瓦故障特征"1，根據(jù)反向角和載荷曲線的變
化，可判斷十字頭銷的潤滑狀態(tài)¨。。
2事故概述與分析
處理量較小的加氫裝置一般采用3A+R組
合式往復壓縮機，流量調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的“三返一”
方式。在首次開工切換備機過程中發(fā)現(xiàn)運行機的
三級中體冒煙，隨即作緊急停機處理。后經(jīng)拆解
檢查發(fā)現(xiàn)該級十字頭銷與小頭瓦燒研粘合。
事故發(fā)生的原因是所選設(shè)備操作彈性小，在
非正常工況升壓過程中，由于三級活塞兩端工作
面積相差較大，致使兩個端面所受的力相對懸殊，
不易被三級連桿等運動部件產(chǎn)生的往復慣性力所
平衡，引起三級連桿反向角偏小，造成整個十字頭
與小頭瓦無潤滑干磨，導致小頭瓦局部溫度偏高
而燒粘。
3故障解決方案
對于十字頭銷與小頭瓦燒研粘合事故，根據(jù)
反向角的定義，一般采取增大反向角或避免反向
角過小的方式進行解決。
對于高壓比、小缸徑的活塞可能發(fā)生的非正
常工況，一般會采用活塞加尾桿的結(jié)構(gòu)。2。，利用
尾桿使活塞兩端面受壓面積相等或接近來減小壓
力，增大反向角。
對于多級壓縮機的最后一級氣缸，尾桿的作
用非常重要，但增加尾桿的同時也增加了一個密
封面，機體填料泄漏的可能性也隨之增加。因為
尾桿是貫穿活塞桿的，增加尾桿的同時氣缸的余
隙也相對增大，減少了氣缸的吸氣量，生產(chǎn)成本增
高。為避免過大的余隙，盡量選擇符合要求的小
直徑尾桿，否則還會導致前一級氣缸出口壓力升
高等新的問題。此外，API 618是不推薦使用尾
桿的，對于早期的壓縮機改造，考慮到成本因素通
常是采用此種結(jié)構(gòu)來增大反向角。
將流量調(diào)節(jié)方式由“三返一”改為逐級返回，
可避免反向角過小現(xiàn)象的產(chǎn)生，但逐級調(diào)節(jié)的缺
點是返回的量越多壓縮機浪費的功就越多。
從節(jié)能環(huán)保方面考慮，目前新的往復式壓縮
機大多設(shè)置賀爾碧格集團的Hydro COM無級氣
量調(diào)節(jié)系統(tǒng)?，徹底改變以往卸荷器0％一50％
一100％三級跳負荷調(diào)整的模式。更重要的是在
0～30％負荷下，可保證壓縮機的平穩(wěn)開機、切機
和停機。壓縮機的壓縮比可控制在合理范圍內(nèi)，
避免壓縮機在非設(shè)計工況長時間重負荷運行。由
于Hydro COM采用的是回流調(diào)節(jié)，即延遲關(guān)閉進
氣閥使氣缸中的部分氣體返回進氣腔。為避免人
口溫度過高，應避免Hydro COM無級氣量調(diào)節(jié)系
統(tǒng)長時間在低負荷下運行，穩(wěn)定運行狀態(tài)下一般
要求負荷的有效范圍為20％～100％。
選用合適的潤滑油路，即采用C形油路：油
泵一十字頭上滑板、下滑板一回入油箱；油泵一機
身主軸承_連桿大頭_+連桿小頭_÷十字銷_÷回人
油箱。
連桿大頭瓦、小頭瓦是通過機構(gòu)內(nèi)件的油路
提供潤滑油的。連桿體中心的縱向油孔與大、小
頭瓦外部的環(huán)形槽相通，通過油孑L由大頭瓦來的
潤滑油經(jīng)環(huán)形槽對十字頭銷進行潤滑。
如果壓縮機運轉(zhuǎn)過程中反向角過小或為零，
則十字頭銷只能承載一個方向的活塞力，使十字
頭銷與連桿小頭瓦之間不能實現(xiàn)正常的啟閉運
動，潤滑油無法到達十字頭銷中，在不影響十字頭
銷剛度的前提下，可以在十字頭銷的表面開油道，
該油道類似于十字頭滑履與十字頭表面的油道，
對十字頭銷進行強制潤滑。
此外，為保證機組的安全穩(wěn)定運行，還要注意
以下兩點：
a．往復式壓縮機運行中應避免出現(xiàn)大的波
動，避免破壞活塞桿的反向負荷，保證十字頭部位
的良好潤滑；
b．選擇設(shè)計符合要求的壓縮機，目前國際
通用的設(shè)計原則是將連桿小頭定位改為連桿大頭
定位¨。，此種設(shè)計具有更好的潤滑性能。
4 結(jié)束語
對于高壓縮比的大型往復活塞式壓縮機，連
桿反向角是一個重要的技術(shù)問題，在編寫設(shè)備操
作規(guī)程過程中應充分考慮現(xiàn)場因素，充分考慮非
正常工況下反向角的大小，認真分析和計算，提前
做好事故預案以確保機組的安全平穩(wěn)運行。對于
已經(jīng)增加尾桿的壓縮機，巡檢時應多注意此處密
封是否有泄漏發(fā)生。對于采用Hydro COM無級
氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機，應注意避免長時間在低
負荷下運行。
(下轉(zhuǎn)第291頁)
萬方數(shù)據(jù)
第42卷第2期化工機械291
a．小片狀閥片的質(zhì)量比菌狀閥小很多，小
片狀閥的升程比菌狀閥的小或相同，所以升程與
質(zhì)量的乘積比菌狀閥的小得多，因此，小片狀閥片
的沖擊力也比菌狀閥的沖擊力小得多；
b．由于結(jié)構(gòu)尺寸較小，小片狀閥彈簧中徑
和絲徑比菌狀閥的要大，而彈簧的自由高度也比
菌狀閥的增加至少4mm以上，使彈簧在最大壓縮
量下，各圈之間的間隙增大，改善了彈簧的受力狀
況，減小了彈簧承受的最大剪切力強度；
c．由于每個閥片單獨獨立運動不受其他閥
片的影響，不會發(fā)生像環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥里的彈簧
受力不均勻的現(xiàn)象，避免和改善了彈簧承受附加
軸向彎曲應力的作用和偏磨現(xiàn)象，彈簧壽命大幅
度提高；
d．小片狀閥片承受的最大彎衄應力雖然比
菌狀閥大但卻在其材料的強度范圍內(nèi)，而且不會
出現(xiàn)菌狀閥片在上下運動時彈簧座外側(cè)與升程限
制器之間以及彈簧與閥片彈簧座孑L之間的刮擦磨
損現(xiàn)象，這種刮擦和磨損影響了閥片的及時關(guān)閉
同時對閥片的壽命和彈簧的正常使用有很大的影
響；
e．從氣閥阻力來看，小片狀氣閥也比環(huán)狀
閥、網(wǎng)狀閥和菌狀閥有很大的優(yōu)勢。
氣閥相對壓力損失可以表示為?：
． F2c2． 1
6 2歷麗2矛2‘蠆2 29z KiJ。oL。
式中C。——活塞平均速度，m／s；
工——閥隙通流面積，m2；
F——活塞面積，m2；
g——重力加速度，m／s2；
R——氣體常數(shù)，J／(mol·K)；
r——進氣閥絕對溫度，K；
z——同時作用的氣閥數(shù)目，個；
d?！獨忾y的流量系數(shù)，無量綱。
對于同一壓縮機同一級的同名側(cè)氣閥來講，
F、C。、g、。、R、rZ均為定值，不同結(jié)構(gòu)的氣閥只
需要進行O／。的對比。由于菌狀閥片的尺寸比小
片狀閥片的尺寸大，為同時保證閥隙通流面積和
升程限制器的通流面積，在排列時其數(shù)量比小片
狀閥片要少，菌狀閥片之間的間距和升程比小片
狀閥片的大，其流量系數(shù)一定比小片狀閥片的小，
那么它的相對壓力損失就一定比小片狀閥要大。
同樣，環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥更無法與小片狀閥片氣閥
相比。
除此以外，由于閥座和升程限制器的氣流通
道均采用圓柱形孔，尺寸較小，小片狀氣墊閥比環(huán)
狀閥、網(wǎng)狀閥和菌狀閥的余積容積都有一定的降
低。
6 結(jié)束語
通過對影響氣閥使用壽命因素的討論，并對
比各種氣閥的特點，最終采用設(shè)計了非金屬閥片
和小片狀閥片的氣墊閥結(jié)構(gòu)，在cbl90mm的升程
限制器上共布置50個小片狀閥片，其外徑
qbl8mm、厚度6ram、升程3mm，彈簧中徑thlomm、
絲徑tkl．0mm、自由高度19mm，總?cè)?shù)10．5圈。
裝機連續(xù)運行8個月后在使用單位停車大修時拆
下氣閥檢查，發(fā)現(xiàn)閥片、彈簧、閥座及其密封面均
完好。
參考文獻
[1] 西安交通大學壓縮機教研室．活塞式壓縮機[M]．
西安：西安交通大學，1972．
(收稿Ft期：2014—10-08，修回日期：2015-03-09)
(上接第277頁)
參考文獻
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[5] 杜小元，江志農(nóng)．基于角域的往復壓縮機連桿小頭
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69．
(收稿日期：2014—07-16，修回日期：2015-04-02)

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