氧气压缩机活塞杆温度高故障分析及改造

帅 辉，洪 焕，刘 杰

（杭州杭氧压缩机有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

氧气压缩机是对氧气进行采集和输送的主要设备[1]，为保证能源采集质量的进一步提高，需要重视氧气压缩机运行的稳定性。本文主要针对活塞力12 t 的氧气压缩机在长时间工作后活塞杆过热进行故障分析，针对故障原因提出相应的改造方案，减少压缩机的非计划停工，保证压缩机正常生产。

1 故障压缩机主要结构

氧气压缩机采用活塞环对活塞与气缸之间的缝隙进行密封，采用填料密封对活塞杆与气缸之间的缝隙进行密封。通过贴合气缸镜面和活塞环面可以防止轴向气体的泄漏，通过贴合环槽和活塞断面可以防止径向气体的泄漏[2]。

（1）填料：填料盒的密封原理主要是依靠气体的压力差，采用无油润滑方式，冷却水在填料盒的外部流通，填料盒内部有用来密封的密封圈[3]。

（2）活塞：共三级活塞，一、二级为分体式铸铝材料，三级为铸铜材料。活塞主要由4 部分组成，分别是起密封作用的密封环，支撑环具有支撑作用，活塞杆的主要作用是传动，活塞螺母具有固定作用[4]。活塞杆和气缸之间为无油润滑[5]。采用填充聚四氟乙烯塑料作为活塞杆和支承环的密封材料。同时也有采用迷宫密封的活塞，活塞杆的锻造采用的是30Cr13 材料，锻造完成后还需要进行调质处理，利用硬化处理加强活塞杆的强度，这样不仅可以增加活塞杆的耐磨性，还可以增加活塞杆的机械性能[6]。

（3）气缸：氧气压缩机的气缸是压缩机重要的组成部分，干式衬套布置在气缸的内侧，活塞的两头设计有可作为密封装置的缸盖和缸座。气缸内部设计有能够通过循环水冷却的水层间嵌入。活塞的一侧设置支承部件，用以支承气缸的平稳度[7]。

2 故障现象

（1）氧气压缩机在工作过程中，如果活塞杆的温度过高，设备会出现联锁报警，甚至会引起氧压机的爆燃。停机检查发现有比较清晰的划痕出现在活塞杆表面。

（2）将设备的填料盒和活塞拆卸下来检修，发现填料环存在比较严重的磨损现象。

3 原因分析

由活塞式压缩机的工作原理可知，气体在增压的同时温度也会上升。增压增温的气体通过在气缸水冷却夹套和级间冷却器进行冷却，冷却原理是气体与冷却水进行热交换。循环冷却水的温度全年低于28 ℃，在设计工艺指标范围内。当冷却后的气体温度过高时，首先需要考虑的问题是冷却水与气体的热交换能力差，水管中的水不能带走足够多的气体热量。通过设备现场实际情况检查分析，氧气压缩机各级进排气温度过高是由于夹套冷却水管路设计布置不当造成的。

实际设置是将各级气缸冷却水管路串联，导致一级气缸夹套的冷却水进水为一、二级间冷却器的排水，温度高达45 ℃，不仅气缸夹套的冷却能力大大降低，同时也极易导致结垢，进一步削弱了热交换能力。一级气缸的高温对进气的加热作用导致了一级进气温度超高。二、三级气缸进气温度过高则是由于一、二级排气温度高，超过了级间冷却器的冷却设计能力造成的。原设计为独立清水冷却，实际使用循环冷却水，由于循环冷却水回水总管有背压，导致进水与回水压差小，水的流速过小，冷却能力降低。

该压缩机活塞杆填料由1 组节流环、4 组中间主密封环和1组漏气密封环组成。所有环均为三剖分结构，每个环都用两道弹簧箍紧在一起。节流环内表面无迷宫密封槽，与活塞杆间隙配合0.07 mm，盖侧端面用弹簧压实，且有0.25 mm 的间隙。

中间4 组主密封环使用迷宫密封槽，与活塞杆间隙配合0.07 mm，盖侧端面用弹簧压实，且有0.25 mm 的间隙。

漏气密封环无迷宫密封槽，内侧设置一圈小孔，使泄漏的气体返回到压缩机的进口处，利用两道弹簧使漏气密封环抱紧在活塞杆上，但径向切口处有2 mm 的补偿量，轴向无补偿空间，运行中由于材料受热膨胀，漏气密封环轴向极易阻滞，使漏气密封环不能与活塞杆正常箍紧，径向磨损得不到补偿，导致漏气密封环偏磨、间隙变大，高温氧气的泄漏量随之加大，使活塞杆温度升高。

综上分析，冷却水管路接反、漏气密封环间隙配合不当、及填料冷却不充分是造成活塞杆温度过高的原因。

4 改造方案

根据故障分析结果，更正冷却水管路和调整漏气密封环间隙后，决定同时改造压缩机的填料（图1）。

图1 改造后的压缩机

（1）对进水口的位置进行重新设计。原进水口设计在填料法兰上，新增进水口需要重新选择合适的位置。在原来的冷却系统中新增一路辅助冷却水。实施方案如下：填料法兰轴侧新增压盖与密封盒，为标准间隙配合，刮水环布置在两者之间。刮水槽、集水道和冷却水进口设计在填料法兰上，填料装复压缩机之后，新增密封盒和活塞杆将填料法兰径向空隙围成一圈，形成一道环形腔，此腔可以连通进水道和集水道。将集水道设计在填料法兰的轴侧，利用新增密封盒和填料法兰形成一道密闭的空腔。

（2）当压缩机和冷却系统运行时，需要保证辅助冷却水道也在同步运行，具体的方案是：将辅助冷却水注入进水道，注入的冷却水要有压差，冷却水沿着进水道流动，在喷水小孔的位置喷洒到活塞杆表面，通过这种方式对活塞杆进行冷却，剩余的冷却水沿着管道继续向下流，最后通过集水道从填料中流出。

（3）针对刮水槽的设计，刮水槽的主要作用是防止气缸进入冷却水，针对刮水环的设计，主要是为了防止冷却水流出填料外部，刮水环和集水道主要是基于密封盒和压盖进行设计。

（4）刮水槽的密封设计。刮水槽设计在填料法兰上，采用的是迷宫封存技术。该技术的主要原理是，将多个曲折的小室设计在固定件和运动件之间，将多个环形密封齿槽依次排列到运动件周围，这样会有节流间隙和膨胀空腔出现在相邻的齿槽之间，被密封的冷却水在流动过程中，经过这些齿槽时产生节流效应，从而达到密封效果。

（5）根据迷宫原理设计密封装置，且这样的密封方式是非接触式，不仅可以有效防止循环水对工艺气体造成污染，还因为各零件之间不存在接触，避免因摩擦而产生的密封环碎屑。最主要的是密封性能不会受到固体颗粒的影响，可靠性高。

5 改造效果验证

氧气压缩机改造后，经过大量实验对改造方案进行验证，结合大量的实验数据后得出，为了保证活塞杆表面不会出现65 ℃以上的温度，需要保证冷却水的流速保持在10～70 kg/h。不同的活塞杆直径需要的冷却水流速是不同的，需要经过具体的计算才能得出。

本文在实验时采用的活塞杆的直径为80 mm，将冷却水的进水压力控制在0.3 MPa，进水口冷却水温度保持在28 ℃左右。

经过实验和公式计算得出，想要保证活塞杆的温度始终不超过65 ℃，需要保证辅助冷却水的流速始终保持在20 kg/h，因为冷却水在对活塞杆冷却的过程中，温度会逐渐升高，为了保证冷却水的温度变化，需要考虑冷却水的冷却系数。经过大量的实验数据得出，冷却系数为1.8 倍时的冷却效果最高。因此，为了保证冷却水对活塞杆的冷却效果，需要保证冷却水的流速保持在36 kg/h。本文的设计方案采用喷水小孔对活塞杆进行冷却，需要设计合适的喷水孔直径才能保证活塞杆的冷却效果，经过多次的实验证明，当冷却小孔的直径为2 mm 时，对活塞杆的冷却效果最好。

经过多次实验，对活塞杆温度进行实时检测，最终的结果显示，改造后的氧气压缩机可以保证活塞杆的温度始终保持在65 ℃以下，验证了改造方案可行，可以有效解决活塞杆温度过高的问题。

6 总结

为了解决氧气压缩机活塞杆温度过高的问题，首先对氧气压缩机的基本结构进行介绍，根据活塞杆在温度过高后的故障表现，分析可能造成活塞杆温度过高的原因，针对这些原因，设计氧气压缩机填料改造方案，利用迷宫封存技术设计压缩机刮水槽和填料小孔冷却结构，通过控制冷却水的温度和流速，从而达到对活塞杆进行降温的作用。最后对改造后的氧气压缩机进行实验，实验结果表明改造成功。希望本文的改造可以为氧气压缩机提供一些设计思路。