往复压缩机运行故障分析及预防措施

（中韩（武汉） 石油化工有限公司，湖北武汉 430082）

1 引言

联合一车间拥有往复压缩机21台，其在加氢及重整装置中担当了重要的提升压力的作用，其正常运行与否直接决定着整个装置能否正常运行，但由于其工况复杂，易损件较多，故障率要比离心式压缩机高，因而日常的运行管理与故障分析变得尤为重要。通过对往复式压缩机运行故障的分析，能够有效减少机组的故障发生。

2 往复压缩机的典型故障分析

2.1 往复压缩机的机械故障

2.1.1 加氢循环氢压缩机K301/1 故障分析

2011-11-26加氢操作人员在现场巡检时发现该机组的声音异常，振动较大，同时油压高报，机组紧急停机，并通知专业值班人员到现场检查。通过对机组进行了检查发现：

（1） 十字头销断（图1）；

（2） 十字头铜套磨损严重；

（3） 小头瓦磨损严重；填料盒有腐蚀现象；

（4） 南一级的活塞杆没有防松开口；

（5） 西侧的主轴瓦上瓦巴氏合金层脱落。

原因分析：

（1） 该十字头销使用时间不足5000 h，分析认为从断面分析看主要是由于材料的选择和工艺热处理上存在问题，且断裂处的油孔倒角偏小，应力集中，十字头销长期承受的交变载荷，发生断裂。

（2） 停机出现的是油压升高，分析原因为十字头销断了之后从小头瓦中脱出，油道错位，挡住了油孔，从而出现了油压上升的现象。

2.1.2 重整K202B 故障分析

该机组由于系统油压低，辅油泵自启，机组连锁停机。随后操作人员调整系统油压后启动机组，在启动过程中听到机组发出巨大声响，后立即手动停机。解体后发现机组西侧连杆断裂（图3），曲轴箱盖及箱体东侧盖板边缘破裂，十字头销脱落，连杆小头瓦端仍位于十字头中，十字头销紧固螺母防转垫片损坏（图4），防转耳断落。

事故分析：通过解体后发现上述情况，分析该事故发生经过大致如下：机组在运行过程中，十字头销锁紧螺母防转垫片由于防转耳的断裂防转失效，锁紧螺母在来回运动的振动情况下松动脱落，十字头销在往复运行中从十字头滑块中脱落，造成油压突降，引起机组停机；在二次开机过程中，由于连杆小头销的脱落，连杆小头瓦端失去约束，设备运转后，连杆被甩出，产生巨大的惯性力，连杆小头瓦端与十字头发生碰撞造成连杆断裂，随后连杆断裂大头瓦端甩出撞击曲轴箱盖，造成曲轴箱破裂。针对以上两起十字头故障的应对措施：

图1 十字头销断裂

（1） 对往复机进行检修时，需要加强对连接件螺栓的紧固，尤其是检查防松措施是否可靠合理，定期检查或更换防松垫片；

（2） 对于机组运行中润滑油压力突然上升、掉压的现象要引起充分的重视，找到故障的原因方可开机；

图2 腐蚀的填料盒

图3 断裂的连杆

图4 损坏的锁紧螺母防转垫片

（3） 对于机组运行中的突发故障，操作人员要及时通知维护人员进行故障确认和处理，确认故障消除后方能开机；

（4） 对往复压缩机的机身振动，温度报警系统进行一次全面的清查，对没有机身振动，温度监控的设备必须进行整改。

2.2 工况变化引起的机组故障

（1） 生产装置经常会碰到气体组分发生变化，如1#加氢的氢气压缩机，该循环氢压缩机循环氢平均分子量设计值为4.88，随着加氢反应的进行，氢逐渐被消耗，反应产生了一些硫化氢、不凝气等，装置运行过程中如果长时间不排放掉一部分废氢，那么循环氢中氢浓度会逐渐降低，分子量慢慢变大，结果造成循环级入口管线振动，排气温度升高，经分析循环氢中杂质气体成分超标后，通过排掉一部分废氢，机组振动也随之消失。

图5 排气阀供炭

图6 断裂的活塞环

（2） 另一例子为3#加氢新氢机，新氢用的是重整装置产生的氢气，2010年初，由于重整催化剂运行到末期，重整氢的纯度下降比较厉害，最低时只有81%，平均分子量远超过设计值的很多倍，造成新氢压缩机机组振动，排气阀积碳（图5），活塞环磨断（图6）、支撑环超常磨损故障图片。对此应稳定工艺操作，防止工艺杂质进入机组。

（3） 介质带液严重引发机组的故障

上游装置发生波动，气液分离效果变差，送到压缩机入口分液罐，来不及完全分离被带进压缩机，轻则损坏气阀，加速活塞环、支撑环磨损，重则发生撞缸事故。如制氢装置的原料干气压缩机，干气分别来自焦化、催化、联合的干气脱硫装置，常常是上游脱硫装置不正常时，随之带来一股液体，造成入口分液罐液位高报，此时，操作人员必须马上进行分液罐的切水。

防范措施：含有液体的介质，机入口必须设置分液罐，分液罐上设液位高高连锁停机，这主要是为了防止液体进入气缸造成撞缸事故，保护机组安全。另外要坚持对介质组分做定期分析，发现偏差及时纠正，以免发生事故。

3 往复压缩机的常见故障及预防

3.1 气阀故障

气阀属于压缩机的易损件，它的质量及工作的好坏直接影响压缩机的输气量、功率损耗和运转的可靠性。气阀的设计是否合理、使用是否得当、寿命是否长是决定往复压缩机是否能够长周期运行的必要条件。由于气阀损坏而引起的停车占非计划停车40%以上。导致气阀故障的原因主要有以下几点：

（1） 气阀设计不合理或安装不当、顶丝松动以及系统工况大范围波动等引起气阀失效。

（2） 介质腐蚀造成气阀失效，气体中腐蚀成分含量超过设计值造成加速腐蚀（如H2S、HCl、H2SO4、湿碳酸气、湿二氧化硫腐蚀），如1#加氢循环氢压缩机，由于循环氢中硫化氢含量较高，故对气阀的腐蚀较为严重，影响气阀的使用寿命。

（3） 介质含颗粒、粉尘（过滤器失效） 及气阀积碳，由于气体在流通的过程中会将铁绣、细小的砂粒带入气阀，造成气阀弹簧迅速损坏；或介质中含有不饱和烃在高温下产生聚合反应，并进一步碳化，从而加速气阀磨损，直接影响气阀的使用寿命。

（4） 气缸润滑油注入量过大，过量的润滑油被压缩气体带走后污染排气阀，由于排气阀温度较高，润滑油已在阀内焦化，导致气阀不能关严，使排气量显著降低，致使压缩机消耗功率增加，加快气阀阀片的磨损。

预防措施：

（1） 认真、仔细巡检，通过蛛丝马迹提前发现气阀故障。听声音，用听诊棒逐个听，正常的阀和故障阀声音有差异，通过多听积累经验，分辨出气阀故障与否。测量温度，当然气阀温度升高原因很多，要综合判断，前一级气阀和后一级气阀会相互影响，另外活塞环磨损气缸串气也会影响气阀温度。

（2） 检修时气阀要正确安装，顶丝必须定期进行紧固（不允许钳工用活动扳手紧固顶丝，实践证明用活动扳手是无法上紧，要求用梅花扳手或套筒扳手进行紧固）。

（3） 气阀材质（主要是阀片、弹簧） 的选择，应该选择最为合适的材质。

（4） 严格控制好注油器的注油量在设计范围内，防止注油过量；同时要使工艺条件保持稳定，防止工艺介质中的杂质及不饱和烃带入气阀。

3.2 填料故障

密封填料是由数组密封元件构成，每组密封元件主要由密封环、阻流环和拉伸弹簧组成。当密封气体属易燃易爆性质时，在密封填料中设有漏气回收孔，用于收集泄漏的气体并引至处理系统。填料故障有两种：泄漏与超温

（1） 漏气分两种：（a） 向外泄漏，原因是长期运行造成填料磨损，失去补偿密封功能，如果每一级都泄漏，可能造成排气量下降，如果大量泄漏，可能会漏到曲轴箱里边，使防爆膜破裂，严重时会造成事故。（b） 气体向冷却水中泄漏，这是因为填料组装时没有装好，每一盒填料之间的密封圈没有装好，气体压力高，向水侧泄漏。可以通过填料冷却水回水管线水泡视镜观察到里边有大量气泡，严重时水无法流动，水站水箱呼吸阀有大量气体逸出，填料温度急剧升高，此时必须马上停机处理。

（2） 填料冷却水向气缸侧泄漏，由于填料组装没有完全到位，在往复机停机后，软化水的压力大于气缸内部的压力，填料冷却水没有及时关闭并向气缸内泄漏，导致下次开机时气缸内发生液击，机组超载致使往复压缩机直接停机。

（3） 填料超温，如果是运行过程中超温，大部分原因是冷却水管线结垢堵塞，可以通过回水管线上视镜进行观察。如果是刚检修完运行时温度高，一般为填料安装出错，水路不通。

预防措施：检修时，填料组装完毕之后，一定把水路试压不漏后再往上装，避免装上后漏水，造成重新拆装。巡检时注意观察填料冷却水管线上的水泡，看水流是否畅通，是否有气泡，另外可以通过摸填料漏气放空管线温度，来判断填料是否泄漏，刚检修的机组，管线是常温，如果发生泄漏，管线温度高于常温，越高说明泄漏量越大。室内要注意DCS画面机组填料温度的变化。

3.3 活塞与活塞杆故障

活塞与活塞杆采用螺纹连接，紧固方式为加热活塞杆尾部，使其热胀产生弹性伸长变形，将紧固螺母旋转一定角度拧至规定的刻线标记位置后停止加热，待杆冷却后恢复变形，即实现紧固所需的预紧力。活塞杆为钢件锻制成，经调质处理及摩擦表面进行硬化处理，有较高的综合机械性能和耐磨性。其故障形式有：活塞杆弯曲、断裂、连接松动、表面磨损。

预防措施：定期小修（3个月），检查并紧固，活塞杆表面无损检测表面修复受损严重时整体更换。

3.4 十字头故障

十字头为双侧圆筒形分体组合式结构，十字头体和上下两个可拆卸的滑履采用榫槽定位，并借助螺钉连接成一体，利用液压联接紧固装置与活塞杆连接。滑履与十字头之间装有调整垫片，由于机身两侧十字头受侧向力的方向相反，为保证十字头与活塞杆运行时的同心。

其故障形式有： （1） 十字头与滑道间隙超标，造成振动过大，十字头磨损；（2） 十字头瓦面与滑履存在同轴度的偏差；（3） 中心存在有杂物或水介质进入润滑油，造成润滑不良；（4） 十字头销长期承受的交变载荷，发生断裂。

预防措施：对往复机进行检修时，需要加强对连接件螺栓的紧固，尤其是检查防松措施是否可靠合理，定期检查和更换防松垫片。

3.5 刮油环漏油

由于刮油环长期磨损，失去补偿能力造成漏油。曲轴箱加油频繁，污油收集罐液位上涨较快，都说明刮油环漏油，需要停机更换。

3.6 级间冷却器泄漏

一般介质压力都高于冷却水压力，级间冷却器受介质或冷却水腐蚀发生泄漏，轻微泄漏，透过循环水管线的玻璃视镜会看到水中带有大量气泡；若严重泄漏，会造成大量的气体漏向循环水中，操作室内DCS显示机组流量、压力迅速下降，需要做紧急停机处理。

4 预防往复压缩机故障的技术手段

近年来，针对往复压缩机所发生的故障，通过对往复压缩机实施机械状态监测，对其进行振动监测、活塞杆沉降监测、温度监测，然后对所测得的相关参数进行收集、处理、分析，诊断出机组故障部位及故障严重程度，最终实现往复压缩机的预知性维修。重整装置已经对部分往复压缩机组安装了机身振动、活塞杆沉降、温度监测系统，使用效果良好。

4.1 振动监测

对往复压缩机的振动监测是利用正常机械的振动特征（如同有频率、振型），与被监测机械的动态特征进行比较，来诊断机组与机构是否有故障。

往复压缩机振动信号包括曲轴箱振动信号、缸体振动信号、十字头振动信号，曲轴箱振动信号以振动速度值进行分析，后两者则以加速度完成诊断，这是由于缸体与十字头部位存在高频冲击信号，曲轴箱振动速度值主要反映的是压缩机振动烈度，反映压缩机整机振动情况。缸体振动、十字头振动加速则可进行高频冲击信号分析诊断。

4.2 活塞杆沉降监测

往复压缩机活塞在气缸内的运行情况直接影响到机组的正常运行，故对活塞导向环的磨损量进行监测，及早防范故障的发生。可能过对活塞杆运行轨迹的X、Y两个方向上安装电涡流传感器，通过正常和故障时的活塞杆轴心位置轨迹特性参数进行对比，跟踪其变化趋势，很好地判断活塞杆运行是否正常。

4.3 温度监测

温度是不仅包括进、排气温度，润滑油温度等工艺参数，更主要的是指往复压缩机的许多零部件（如主轴瓦、十字头滑道、填料函和出入口阀等），在有冲击、摩擦及磨损的状态下所表现出来的特定位置的温度。监测往复压缩机的进、排气温度可以间接了解气阀和气缸组件的工作状态，如排气阀泄漏会导致排气温度升高；吸气阀泄漏会使一部分高压气体倒窜，导致吸气温度升高。监测填料函温度，可监控活塞杆的故障信息。监测气缸和中间冷却水温度，可以了解水套和中间冷却器的结垢和堵塞情况、冷却效果，避免水套和中间冷却器事故的发生。

通过采用以上振动监测、活塞杆沉降监测、温度监测等技术手段，监控与积累往复压缩机各部件在运行过程中所测得的相关数据，建立振动值、沉降值、温度判断的基准数据和基准频谱，再将实际测量数据及频谱与之比较，识别往复压缩机状态的变化。以此来分析、判断往复压缩机将要发生故障的部位，并制定出相应的处理措施或维修计划，使机组能够长周期的安全、平稳运行。

5 结语

通过对往复压缩机运行故障及常见故障分析得出：提高往复压缩机运行可靠行应该从多方面考虑（如：设计、选材、维护等），工艺条件应尽量保持稳定，不宜频繁变化；其次要加强巡检，对易发生故障部位重点观察；对已发生故障进行分析进行总结，避免类似故障再次发生；同时，时刻监控在线实时监测数据，对其变化要立即作出相应判断、分析、处理，只有这样才能让往复压缩机长周期的安全、平稳运行。