13-800-3000型隔膜压缩机膜片损坏原因及解决方案

万本军， 王 敏， 陈功伟， 陆廷雷

(普莱克斯〔广州〕工业气体有限公司 广东广州 510700)

普莱克斯(广州)工业气体有限公司瀚阳氢气工厂(以下简称瀚阳氢气工厂)主要的生产工艺是裂解甲醇制备高纯氢气，氢气产品一部分通过管道输送至瀚阳钢铁厂，富余的氢气经压缩机加压至20 MPa后由鱼雷车运输至各加氢站。瀚阳氢气工厂采用的压缩机为美国宾夕法尼亚动力咨询公司生产的13-800-3000型两级卧式隔膜压缩机。在运行过程中，该隔膜压缩机多次出现级间压力高的现象，压缩机出口背压超过15 MPa时，级间压力就会快速上升。

1 隔膜压缩机简介

因隔膜压缩机具有污染低、压缩比高、密封性能好以及设备运行可靠性高等特点，国内外的制氢工厂或氢气充装站一般都采用隔膜压缩机进行加压和充装。隔膜压缩机由液压系统和气体压缩系统组成，通过活塞的往复运动，推动膜片向气体侧运动，从而压缩气体，将气体排出。液压系统由皮带驱动的曲轴、连杆、活塞、润滑主油泵、液压油注射泵和油压控制阀、液压油单向阀等组成，通过液压油注射泵补充液压油，保证在整个运行过程中液压系统充满润滑油。在压缩过程中，液压油单向阀把液压油和补充油隔离，避免液压油回流。油压控制阀控制液压释放压力，从而形成液压油系统压力。

当活塞处于近止点时，液压系统通过液压油注射泵注满液压油，气体在进口压力作用下打开进气单向阀，进入隔膜腔；活塞推动液压油，再由液压油推动膜片向缸头运动，膜片对气体加压，当压力高于出口单向阀背压时，气体排出，膜片继续向缸头移动；当膜片运行至缸体端，活塞继续运行到远止点，液压油通过油压控制阀返回曲轴箱，通常液压油的压力设定值比排气压力高1.10～1.15倍；当活塞到达远止点往回运动时，余隙气体和吸入气体推动膜片向曲轴箱侧移动，完成整个循环。隔膜压缩机结构简图见图1。

2 机组的运行模式

制氢装置采用的是同型号的2台隔膜压缩机并联运行，工艺流程简图见图2。

机组于2017年投入运行。在2017—2020年，由于市场原因，装置负荷较低，2台压缩机处于1开1备状态，且大部分时间2台压缩机都处于停运状态。从2020年7月开始，氢气市场回暖，装置满负荷生产，2台压缩机实现长周期连续运行。

3 故障情况

2020年9月，1#压缩机在运行过程中出现一级出口缓冲罐压力超压报警，机组停车。检查机组运行过程中的压力曲线，发现当二级出口背压高于15 MPa时，一级出口缓冲罐的压力快速上涨。对比同型号同运行状态的2#压缩机，其一级出口缓冲罐压力上涨较慢。

4 故障处理

检查油喷射泵，发现其弹簧完好，活塞有轻微的磨损，与库存备件相比，径向和端部均有约0.2 mm的磨损。更换了活塞和弹簧，并重新调整了油喷射泵的安装尺寸，以确保油喷射量在最大位置。同时对油系统的单向阀进行检查，未发现异常。在检查膜片泄漏检测罐时发现有液压油，决定对二级缸头进行拆检，检查二级膜片。

拆检二级缸头后发现膜片破损严重，油侧膜片有宽2～3 mm、长约10 mm的破损口，气侧膜片和中间膜片也存在整圈疲劳区，宽度为2～3 mm。检查二级进排气阀，未发现异常。本次检修更换了相关膜片以及相应的O形圈。

检修结束后，机组恢复开车。在运行过程中，机组背压高于15 MPa时一级出口缓冲罐压力仍然快速上涨，充装背压达到目标充装压力18.5 MPa时一级出口缓冲罐压力值略低于报警值，机组故障未得到有效解决，机组带病运行。

2020年10月13日，现场对机组进行巡检时再次发现液压油从膜片泄漏检测罐内排出，可能二级膜片发生损坏，机组停车检修。机组拆检后发现，二级膜片再次损坏，且情况与上次相同，3层膜片均出现了环状疲劳。比较后发现，发生疲劳的环状区域与配油盘和背板之间的间隙一致，推测膜片与配油盘发生了碰撞，从而导致膜片疲劳损坏。

分析膜片与配油盘发生碰撞的原因，初步判定油压控制阀压力设置偏低或油压控制阀内漏。决定更换膜片及相应的O形圈，机组开车过程中对液压油压力控制阀进行调校。调校时发现油压控制阀的压力比厂家推荐的设定压力约低1 380 kPa，且油压控制阀释放压力约有138 kPa的波动。

调校完成后，机组恢复正常开车，在运行过程中仍存在机组背压高于15 MPa时一级出口缓冲罐压力快速上涨，充装背压达到目标充装压力18.5 MPa时一级出口缓冲罐压力值略低于报警值的情况，机组故障仍未得到有效解决。

2020年11月4日，再次发现机组的液压油泄漏缓冲罐内有液压油排出，确定二级膜片再次损坏，机组停车检修，拆检后发现膜片损坏情况与前两次相同。

拆开活塞组件检查后发现，二级活塞部件的活塞环、支撑环严重损坏，活塞冷却夹套内发现了较多的杂质和污垢。

对二级冷却夹套进行清洗，更换活塞环、支撑环以及相应的膜片和O形圈后，机组投入运行，相关运行参数平稳，一级缓冲罐压力与同型号同工况的2#压缩机相近。从2020年11月开车以来，已正常运行5个月，未发生异常和膜片损坏，机组故障彻底解决。

5 故障原因分析

装置投入运行前，未对循环水管进行彻底的酸洗和水洗；装置投运后，冷却水管内的杂质进入压缩机的冷却水夹套，使得机组活塞部件未得到有效的冷却。因活塞环材质为聚四氟乙烯(PTFE)，支撑环材质为聚四氟乙烯聚合物(RULON)，较高的温度使得活塞环和支撑环快速损坏。当活塞环发生损坏后，在压缩过程中，液压油从活塞环处快速泄漏。由于活塞环处的泄漏量远大于油增压泵的补油量，在背压较高时活塞回程过程中液压腔内的液压油不足，高压气体推动膜片撞击配油盘，多次撞击后导致膜片疲劳损坏。

6 结语

通过对冷却水系统进行清洗，同时更换活塞环和支撑环，解决了压缩机膜片频繁损坏的问题。故障出现的根本原因是在装置投入运行前，未对冷却水管道进行彻底的酸洗和水洗，造成运行过程中杂质留在机组内部，影响活塞环的使用寿命。