燃料气压缩机活塞环、支撑环磨损原因分析和整改措施

杨坤涛

（山西潞安化工集团煤基清洁能源有限公司，山西 长治 046299）

1 简介

该机组是沈阳鼓风机制造，产品名称：4M40-365/3.7-BX 燃料气压缩机，属于对称平衡往复式压缩机，压缩机共有四个缸共两级。运行参数如表1所示。从检修上来看，2019 年9 月份、10 月份，该机组一级更换活塞环、支撑环共4 次。其中更换材质两次和气阀更换一次。这造成了生产延误、增加维修量以及备件更换，造成较大的经济损失。分析原因并解决此问题对于节能降耗、提质增效有较大的经济效益。

表1 往复式压缩机C302A 各项参数

2 机组故障、现象

压缩机故障现象为一级气阀排气温度高，排气量不足，振动大。经检查排气阀发现内部有很多活塞环、支撑环碎屑。拆开气缸发现支撑环、活塞环磨损和部分活塞环出现胀死且镜面间隙只有0.4 mm 左右，其中有一个气缸出现拉缸现象。

3 原因分析和解决措施

故障原因可能有以下几点：

1）机组自身问题。机组在长期运行后导致基础发生变化，导致十字滑道和气缸同心度发生改变，导致活塞环、支撑环安装后发生偏磨；安装尺寸不合适，维修工不熟练，在安装活塞环、支撑环时轴向间隙、开口间隙等不符合要求，导致其发生胀死、磨损现象。

2）工艺流程及介质问题。工艺介质不干净，含有大颗粒进而活塞环、支撑环轴向间隙中，或者与油混合在一起形成油泥，大大加速磨损；其他工艺设备出现问题，导致介质水分较大，气缸内积聚成水，形成液击导致机体振动增大[1]。

3）气缸内套材质与活塞环和支撑环材质强度不一样，活塞环、支撑环硬度不够导致其磨损甚至断裂。

现对以上问题进行分析处理，活塞环、支撑环抱死现象，如图1 所示。

图1 活塞环、支撑环抱死现象

3.1 机组安装问题

用水平仪测量分别测量十字头滑道和气缸的水平度，曲轴箱侧为正，气缸盖侧为负。测量结果，如表2 所示。其结果在允许误差范围内不会对活塞环、支撑环的磨损有影响。针对检修质量问题，每次回装支撑环、活塞环轴向间隙、开口间隙、径向间隙、活塞杆跳动值等数据检查均符合要求，且检修质量验收均合格，不是磨损、胀死的问题。

表2 压缩机气缸水平度测量结果mm

3.2 工艺流程和介质问题

工艺介质的气体成分比例见下页表3。如果是工艺气体中有杂质颗粒与润滑油、润滑油与活塞环和支撑环磨损结合形成油泥，油泥夹杂在活塞与镜面之间的隔膜中，增大了摩擦系数，加剧了活塞环、支撑环的磨损，油泥还会夹杂在环槽内，减少了轴向间隙，侧面压力增大会加快侧面磨损，这些会导致活塞环、支撑环的抱死现象[2]。通过检查管道滤网发现滤网有破损，通过更换滤网、加大滤网目数，每次检修发现滤网较脏。检修中发现气缸内有积水、水垢现象，怀疑介质水分较大，长期运行在气缸内形成积水形成液击和结垢现象，导致气缸振动大的原因，也可能是磨损大的原因。由于此往复式压缩机是有油润滑，油与介质气体中的杂质形成油泥，油和油泥都将改变摩擦系数有改变，故将注油速度由10 滴/min～20 滴/min 之间逐渐改变。实验证明改变注油速度对压缩机磨损没有改变，油多了反而形成气缸积油加剧了磨损现象。

表3 介质成分及比例

3.3 气缸内套、活塞环、支撑环材质问题

解决振动大的问题之后，活塞环磨损、胀死、断裂问题依然没有彻底解决，根源没有找到。气缸为内套和壳体两部分组成，每次检修发现气缸内套无损坏，活塞环、支撑环磨损严重且出现拉缸现象；检查活塞环槽磨损情况发现，活塞环槽也没有明显变化，最大环槽磨损宽度变化在0.1 mm 且在要求范围以内。对于活塞环胀死现象，怀疑是活塞环膨胀量大，将活塞环的轴向间隙标准为0.24 mm～0.367 mm，将轴向间隙调整到0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm，开口间隙放大到10 mm。经过运行一段时间发现，间隙大的没有出现胀死的，但是依然有断裂、磨损严重现象，改变轴向间隙只能影响其膨胀量带来的胀死问题，但不是主要原因。从检查结果分析活塞和缸套的材质和硬度符合要求，唯一存在的原因是活塞环的材质出现问题。于是怀疑是原沈鼓随机组带的备件问题，因为活塞环和支撑环均为填充聚四氟乙烯，填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加石墨、铜粉、玻璃丝等元素，改善聚四氟乙烯的硬度高、润滑等特性。在填充的元素不同、比例不同，填充聚四氟乙烯的物理性能和机械性能也有所不同[3]。活塞环的材质较软，润滑油和介质中杂质颗粒混合形成的油泥，影响摩擦面的摩擦系数，加上膨胀量大，会出现偏磨、胀死现象，长时间偏磨就会出现活塞环断裂的情况，进而事故频发。

4 采取具体措施

通过3.2 叙述中可知，气缸积液是水气分离器泄漏原因，导致气体中有水蒸气比例增大，在气缸和缓冲罐中形成积液病出现液击现象，所以气缸振动大，通过对水气分离器漏点处理成功解决这一问题，但振动大不是活塞环、支撑环的磨损、胀死的原因。通过原因分析知道决定活塞环、支撑环磨损主要有两个因素影响：一个摩擦副的摩擦系数的改变，一个是材质本身的机械和物理性能。

4.1 改变摩擦系数

影响摩擦系数的因素有很多，主要有气缸缸套的表面粗糙度、润滑油、介质气体的纯净度。

气缸缸套的表面粗糙度越低，活塞环、支撑环与缸套摩擦中颗粒数大大降低，摩擦力也越小，活塞环的受力程度也小，损耗程度以及断裂的可能性也大大降低。

润滑油主要起到润滑作用，将活塞环、支撑与缸套镜面环形成油膜，将二者的硬摩擦改变为与油膜的摩擦。检查注油器，定期清理和更换油脂，长时间使用的注油器，注油器油中的可能有焦炭和反应的催化剂，二者进入气缸易形成杂质颗粒依附在油膜中，加速活塞环、支撑环的磨损[4]。

介质气体如不干净，其中的杂质颗粒与润滑油结合形成油泥，依附在活塞环、支撑环的轴向间隙和气缸的镜面间隙中，镜面间隙中油泥混合在油膜中，增大了摩擦系数，加速活塞环、支撑环的磨损，轴向间隙中的油泥不仅加剧活塞环与环槽的磨损，使环槽变宽，而且油泥进入侧面，变相的轴向间隙减小，活塞环受热膨胀，容易与环槽胀死，加剧磨损甚至断裂。因此通过工艺分厂人员进行气体调整和增加管道滤网的目数，提高气体的纯净度，减少油泥的形成。在检修中通过改变以上三方面，大大降低了活塞环、支撑环的更换次数，但胀死现象依然会发生，活塞环、支撑环使用寿命仍低于正常要求。

4.2 改变活塞环、支撑环的材质

通过检修不断实践和论证，活塞环、支撑环为填充聚四氟乙烯，材质的硬度与缸套的硬度相差太大，即活塞环、支撑环较软，填充聚四氟乙烯根据其自身填充物的成分、比例不同，呈现的物理和机械性能不同，随即联系新厂家，根据图纸和测量尺寸、工艺参数、气缸结构参数和缸套的硬度等制作一批活塞环、支撑环，主要只有提高了活塞环、支撑环的硬度，减小了活塞环、支撑环在工作状态下的膨胀量。安装定制的活塞环、支撑环后，机组运行一个月排气量、排气温度正常，气缸无杂音，停机检修发现，活塞环、支撑环无胀死、断裂现象，支撑环最大磨损0.2 mm，活塞环最大磨损0.12 mm。这就证明之前原厂带的备件材料膨胀系数与机组的工艺现状不符合，活塞环、支撑环的硬度与缸套的硬度不匹配导致，只有材料硬度的匹配、热膨胀系数才是活塞环、支撑环磨损的根本原因。

5 结语

从检修中发现，该机组振动大的原因是由于工艺流程中水汽分离器存在漏点，导致介质中水气大形成积液产生液击导致，漏点处理完成振动值在范围要求内，活塞环、支撑环依然胀死、磨损现象严重，所以振动大不是活塞环、支撑环磨损的原因。

通过工艺操作人员对介质气体进行调整以及增加管道滤网目数，提高了介质的纯净度，大大减少了介质中杂质颗粒，同时加强对注油器的清理，减少润滑油中的焦油。从而减少了油泥的形成，对活塞环、支撑环的磨损有一定的减缓作用，但不是根本原因。

通过技改活塞，将支撑环从120°单片式改为整圈，减少了备件更换次数，没有改变胀死、磨损情况。

从设备检修不断进行试验和分析发现，在此工艺条件下活塞环、支撑环的热膨胀系数不符合设备要求，导致经常出现活塞环胀死现象。活塞环、支撑环的硬度不足，通过对该工艺条件和气缸内套硬度进行计算定制专用的活塞环、支撑环，减小了膨胀系数、提高了硬度，从根本上解决了活塞环、支撑环磨损情况。