往复式压缩机连杆大头瓦监测系统的研制与应用

刘 桂，李西银，张林治

(安徽晋煤中能化工股份有限公司 安徽临泉 236400)

0 前言

大型往复式压缩机是化工生产中的关键动力设备。近年来，随着装备制造业的发展和各生产企业生产能力的持续扩大，压缩机制造也日趋向大推力、多列气缸发展，目前国内已经出现784.5 kN(80 000 kgf)活塞力、七列活塞的大型活塞式压缩机，压缩机的安全、稳定运转对提高生产效率、降低消耗显得越来越重要。在压缩机日常运行过程中，经常因连杆大头瓦故障发现不及时而出现烧瓦现象，严重时曲轴抱轴、烧毁，造成巨大损失。其主要原因之一就是连杆大头一直绕曲轴轴线做圆周运动，无法像主轴瓦一样建立固定监测点，即连杆瓦的运行监测一直是个技术盲区。

对于连杆瓦运行状态的监测，传统方法是依靠操作人员和维修人员定期听、看、摸、手动测量，存在很大的局限性，对操作人员和维修人员的经验和责任心要求很高，而且故障在2个巡检周期之间随时都有可能发生。一般的对策就是随坏随修，比较好的方法是定期更换连杆瓦，但既不经济又会缩短压缩机有效生产时间。

建立连杆瓦实时监测预警系统，在故障发生之时及时发现，在故障恶化之前及时消除，对于生产装置的安全、稳定、长周期运行及降低生产成本具有十分重要的现实意义。

1 研制思路

往复式压缩机曲柄连杆机构使用的滑动轴瓦都属于液体动压润滑轴承，工作时，靠油泵输送的润滑油的动压力形成油膜隔开两摩擦表面并承受载荷，油膜不仅可以承受载荷，减少摩擦甚至实现油的内摩擦，而且不断带走因摩擦产生的热量。轴瓦损坏主要表现为合金点蚀、松脱、剥落，引起轴瓦损坏的因素主要有润滑油黏度、安装对中精确程度、轴颈与轴瓦加工精度、配合间隙、轴承与轴颈的宽径比、压缩机负荷等。压缩机各运动部件之间都有可靠的连接和配合间隙，当机件出现松动(如活塞杆连接螺母或十字头连接法兰松动)或配合间隙增大(如连杆大小头瓦配合间隙、十字头销与十字头配合间隙增大)时，则会改变轴承的动力特性，引起转子运转不稳定，并且在过临界转速时振动峰值非常大，导致动静件之间发生摩擦并发出异常声响，机组振动随之加剧[1]。

安徽晋煤中能化工股份有限公司各生产系统共有大型往复式压缩机20余台，根据日常维护、检维修、故障判断处理方面积累的经验，在压缩机曲柄连杆机构出现故障时，故障发生部位的温升一般都较大，甚至有灼热感。温升的主要原因：轴承出现故障后，合金出现块状剥落，剥落的合金斑块颗粒不会全部被循环液压油带走，部分合金斑块颗粒夹杂在轴承间隙内，从而改变了轴瓦与曲轴的配合间隙，造成润滑面急剧摩擦，产生大量的摩擦热，而摩擦热又加热了循环油及连杆体，在连杆瓦绕曲轴旋转的情况下，高热循环油在离心力的作用下被甩至曲轴箱大盖和其他部位，其运动轨迹基本是固定不变的。因此，通过捕捉循环油油温就可以监测轴承的运行情况。

2 具体实施措施

(1)如图1所示，最初采用手枪式测温枪测量曲轴箱大盖上相邻2列连杆温升最高点，结果发现：当2列连杆温升相近或保持一定温差值时，轴瓦运行正常；当2列连杆温升发生变化时，停机检查，轴瓦都不同程度出现了损坏，验证了通过测量温度变化以判断轴瓦运行情况的可行性。

图1 最佳测温点的选择示意

图2 测温点安装深度示意

(2)加装铠装铂电阻[2]。循环油甩至曲轴箱大盖底部，经过热传导，热量不同程度出现扩散，仅测量曲轴箱大盖温度，还无法直观反映轴瓦运行情况，测量的灵敏性和准确性大打折扣。通过测量计算，在曲轴箱大盖顶部对称2列活塞中心与曲轴箱列向中心间隔167 mm处，即相邻2列连杆温升最大点打孔、攻丝，然后加装铠装铂电阻，直接测量油温变化。铠装铂电阻型号为PT100，铂电阻插入深度不超过50 mm(图2)，超过此数值，连杆会与电阻发生碰撞。电阻量程设定为0～100 ℃，测量结果通过导线引入操作仪表盘直接显示，并可以设定危险报警值及时预警。铠装铂电阻直接测量的是从连杆大头出来的循环油油温，使灵敏性提高至最大，每次轴瓦出现故障都能被及时发现，避免了故障的恶化。

一般相邻2列连杆在负荷和其他工况出现变化时，连杆大头油温并不一定相等，略有差别，判断故障的依据就是温差变化的相对值。以6M50氢氮气压缩机为例，连杆大头油温及温差如表1所示。

表1 6M50氢氮气压缩机连杆大头油温及温差

(3)加装振动变送器(测振仪)。如图3所示，振动变送器固定在曲轴箱侧面，在对应列活塞中心位置，高度在曲轴轴心水平位置。每列连杆可各加装1只振动变送器，也可根据用户要求选择活塞力较大的级列加装。振动变送器测量范围：振动速度有效值0～20 mm/s，工作温度-30～80 ℃。与铠装铂电阻相同，振动速度有效值通过导线接入操作仪表盘直接显示，同样可以设定危险报警值及时预警。

图3 振动变送器(测振仪)安装位置示意

3 应用效果

目前，安徽晋煤中能化工股份有限公司已对12台4M50和6M50型氢氮气压缩机进行了增设连杆大头瓦监测预警系统的改造，在压缩机运行过程中能及时有效地监测到连续绕轴运转的压缩机连杆大头瓦的使用情况，并在故障恶化前及时预警，通过联锁装置可以实现及时停机，避免抱轴、烧瓦等恶性事故的发生，切实保障压缩机安全稳定运行，使设备维护费用降至最低。以1#合成氨系统10#和11#6M50型氢氮气压缩机为例，2台压缩机自2012年底投运以来，由于诸多因素的影响，一段和二段连杆大头瓦频繁烧瓦，每年更换大头瓦的费用高达12万元以上(每副大头瓦的更换费用平均在3 000元左右)。2015年底，这2台压缩机实施连杆大头瓦监测预警系统改造后，连杆大头瓦使用寿命提高至120 d以上，2016年至今平均每年的大头瓦更换费用不到4万元。