低压甲醇原料气压缩机故障的原因分析与改进

谢 毅，刘利军，吴盛洪

(浙江晋巨化工有限公司，浙江衢州 324004)

1 背景介绍

浙江晋巨化工有限公司(以下简称晋巨化工)低压甲醇装置配有3台低压甲醇原料气压缩机(以下简称醇压机)，为六列五级往复活塞式压缩机，型号6M32- 283/54- BX，M型卧式对动平衡布置、级间水冷、压力循环润滑、气缸无油设计少油润滑、直流电机直联拖动，轴功率2 668 kW，电机功率2 900 kW，最大设计活塞力257 kN。

工艺路线为：从气柜来半水煤气，经三级压缩后送入净化系统调整气体成分，再返回经五级压缩后送入合成工序[1]。

该机型在21世纪初由沈阳气体压缩机公司引进德国Borsig公司和瑞士Areco公司技术设计制造，2002年建成投用至今14年，基本能满足生产，但各类故障频发，经不断攻关改进，仍存在活塞杆断裂、连杆螺栓断裂(以下简称“两断”)等潜在危害极大的设备故障，不利于安全生产，已被列为公司级重大隐患。

大型往复活塞式压缩机的活塞杆、连杆螺栓、连杆、曲轴等，属于极端重要的零部件，一旦失效，可能带来巨大损失甚至人身伤亡[2-3]。2007年5月 23日，1#醇压机三段连杆螺栓断裂，打破机身、着火；2010年8月31日，1#醇压机二段活塞杆断裂；2010年9月1日，2#醇压机一段活塞杆断裂；2010年9月21日，1#醇压机二段活塞杆又断裂，22 d内连续断裂3根活塞杆。醇压机已发生的各类故障中，“两断”故障最为恶劣，3台醇压机发生的多次断裂均是突发断裂，所幸每次都处置及时，事态未进一步扩大，也未伤及人员；另外，还多次发生铝活塞破裂、曲轴出现裂纹等较大设备故障和隐患。

2 故障表现及原因分析

2.1 各类故障统计和规律

(1) 醇压机故障率很高，年均检修90～120次。

(2) 大部分故障发生在一、二、三级，四、五级相对较少。

(3) 活塞杆断裂统计：一级3次，二级9次，三级5次。

(4) 断裂部位：与十字头相连接的最细处 8次，尾端活塞锁紧螺纹部位6次，Ф 95 mm杆身3次。

(5) 连杆螺栓断裂统计：二级3次，三级1次，2台醇压机发生过断裂。

2.2 故障主要原因

从故障统计看，各类故障集中在一、二、三级，二、三级尤甚。主要是原始设计有缺陷：①各级活塞力极不均衡，运转时引起机身扭振；②二、三级气体力超过了最大设计活塞力。

用专业软件核算实际工况下的气体力：1级166 kN，2级294 kN，3级286 kN，4级120 kN，5级 100 kN。由此可见，在实际工况下二、三级气体力已超过设计综合活塞力257 kN，这是活塞杆断裂、连杆螺栓断裂的主要原因。

2.3 故障其他原因

(1) 机身分段对接，机身单薄，主轴瓦座同心度偏差大，极易造成振动值偏高。

(2) 转速偏高(375 r/min)，轴颈偏细(主轴长度为4 855 mm，而直径只有Φ240 mm)。

(3) 气源不够洁净，极易堵塞气阀及气道，引起支撑环过早磨损，从而产生附加载荷，使得原本超标的活塞力更大。

3 改进措施

3.1 防“两断”改造

(1) 将全部连杆螺栓加粗，由原来M 42 mm加粗至M 52 mm，受结构限制，连杆也须随之加大。根据载荷形式合理设计出连杆的截面结构形式，使得新连杆在能够承受高载荷的同时不增加连杆的质量。

(2) 二、三级活塞杆由6M32型改为6M40型，活塞杆最小处直径由原来的Ф 42 mm扩大至Ф 51 mm，活塞杆材质由42CrMoE改成国内生产工艺更加成熟的40CrNiMoA，以防止活塞杆断裂。

(3) 一、二、三级气阀采用防污气阀，该防污气阀有别于以往传统气阀，密封面涂有特制防污涂层，能有效防止气阀积污严重发生堵塞情况，保持气道畅通，避免因气道不畅而造成活塞力的扩大。

(4) 一、二、三级支撑环由半圆式改成整圈，原支撑环为半圈型式，活塞运转过程中易发生径向跳动，造成支撑环磨损较快。现将半圈改为整圈型式，很大程度上避免了因支撑环在气缸内径向间隙的不均而造成的跳动，减少了缸体振动，延长了设备运转周期。

(5) 一级南北进口缓冲器增加连通管：在一级南北缸进口缓冲器上增加DN 450 mm连通管，并在连通管上安装膨胀节，以减少流动阻力，平衡南北缸进口压力，在一定程度上减小一级南北缸活塞力不均衡现象。

(6) 加强现场振动监控，增设声光报警设施：①在压缩机DCS操作室，单独设1台电脑，在线监控和记录3台醇压机振动值，能以曲线和数值显示，能追溯当前1个月内的历史数据；②振动传感器安装位置和类型，根据相关标准，将2个加速度传感器安装在每台机身二、三级的水平方位(如图1所示测点1和测点2)，振动值采用速度值(mm/s)，便于故障分析。

图1 振动传感器安装位置示意

(7) 设定振动报警值：当发生活塞杆断裂、连杆螺栓断裂、撞缸等故障时，会引起机身强烈振动(其值应远高于正常工况)，根据测定和经验值，设定超标值为6 mm/s(门限报警)、危险值为9 mm/s(突变报警)。

(8) 报警方式为声光报警，设置在操作室：①操作室光报警，与操作室内现有3台机的紧停

按钮一对一设置报警灯，使在紧停时不易按错；②操作室声报警，各设1个自动红光报警装置。

(9) 选用合适备件材质和确定检修参数指标：将原醇压机连杆大头瓦材质由巴氏合金改为镁铝合金，并在检修过程中将瓦的间隙控制在公差下限值附近，并在使用过程中提高油压至高限。

(10) 规范计划性检修：根据检修规程和检修档案，二级、三级活塞杆及连杆螺栓运转满1年必须进行更换。

3.2 醇压机吸气量的控制

经核算和专业厂家建议，将单机吸气量由原先的15 000～16 000 m3/h(标态)调整至≤15 050 m3/h(标态)，此时活塞力和轴功率处于理论安全范围内。

4 改造效果

(1) 自2015年所有改造项目结束后，各类设备故障率降低至70次左右，设备运行至今未发生“两断”事故。

(2) 2015年7月，声光报警装置检测到3#醇压机二段振动值达16 mm/s，拆检后发现活塞紧固螺母松动，避免一次事故发生。

(3) 设备运转率由原平均60%提高至现在的66%以上，3台设备2开1备，运转率最高66.67%。

(4) 通过一系列消缺技改工作，节省了设备检修费用，减轻了检修人员的工作负担，保证了设备长周期有效运行，为安全生产提供了有力保证，对降本增效有着较为显著作用。

[1] 郁永章.活塞式压缩机[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2] 赵代胜.煤基甲醇制烯烃项目中合成气制甲醇装置的改造方案[J].煤化工，2016，44(3)：24- 27.

[3] 魏伟.原料气压缩机驱动透平振动原因的分析和处理[J].化肥工业，2012，39(3)：56- 57.