石油化工企业压缩机活塞杆失效分析理论基础

石油化工企业压缩机活塞杆失效分析理论基础

敬杰

身份证号:650107198510251019

摘要：活塞式压缩机广泛应用于各种生产活动中，尤其是在化工生产装置中占有重要地位。随着化工生产装置的不断扩大，活塞式压缩机也越来越大型化，其安全稳定运行也显得日益重要。活塞杆断裂是活塞式压缩机除气阀损坏(一般认为是故障)以外最常见的设备事故。事故的原因除压缩机长期超负荷运行、活塞杆本身质量问题外，一个主要原因就是压缩机的安装质量问题，主要表现为活塞杆跳动量超出规范允许的范围。合理地调整活塞杆的跳动量是活塞式压缩机安装、检修的一项重要工作，对压缩机的安全、稳定、长周期运行有着重要的意义。本文主要分析石油化工企业压缩机活塞杆失效分析理论基础。

关键词：石油化工；往复式压缩机；活塞杆；断裂；失效分析

引言

压缩机活塞杆失效是石油化工企业常见的机械故障问题，本文分析了活塞杆失效的基础理论，内容包括三个方面：疲劳损伤机理；活塞杆失效分析方法选择；活塞杆失效影响因素分析，主要目的是为开展活塞杆故障模型的建立与试验提供理论基础。

1、活塞杆工作原理

从压缩机的结构来看，曲轴与连杆相连接，连杆通过十字头与活塞杆相连，曲轴的回转运动通过十字头带动活塞杆和活塞做往复运动，在气缸内实现气体膨胀-进气-压缩-排气四个过程，完成气体的压缩与运输。BOG压缩机的活塞杆采用中空冷却结构，主要由三个部分组成，分别是外杆件、固定中体及内杆件部分。活塞杆的外杆件部分用于与其它活塞部分相连;固定中体可增加活塞杆的刚度并具有冷却通道;内杆件部分与十字头部分相连。活塞杆两端杆头具有螺纹，因结构特点易发生裂痕。活塞零部件的连接主要用径向联接的方法，同时保证活塞杆平面浮动。活塞部分带有迷宫槽，缸体与活塞间有间隙，此间隙值根据间隙表标准选择。压缩机的活塞杆还需有密封填料，活塞杆的结构也会发生断裂，因此对活塞杆进行受力分析很有必要。

2、活塞式压缩机的基本构成

为了达到生产工艺所需的最终出口压力，一般大中型活塞式压缩机由多个段组成，每段由在压缩机运行时处于静止状态的十字头滑道、中间接体、刮油器体、密封填料函、气缸和作回转运动的曲轴、作摆动运动的连杆体以及作往复直线运动的十字头体、活塞总成(含活塞杆及活塞环、支撑环)等组成。其中活塞杆与十字头体间有供调整活塞运行死点间隙的调整板。为了机组平稳运行，同时也为了安装、检修方便，大中型活塞式压缩机多采用对称平衡布置。活塞式压缩机的安装要求处于运行中的十字头体及活塞杆的中心线要与十字头滑道、气缸的中心线要在同一直线上，并且与曲轴的主轴颈的中心线在同一平面上。事实上在实际的安装、检修操作中是存在一定差异的，这种差异只要调整到规范允许的范围以内，都是允许的，认为是可行的。正常情况下活塞体在气缸中是呈悬浮状态的，与气缸壁并不发生实质性的接触，二者之间存在一定的间隙，其间隙大小因气缸大小及压力的不同而有所不同，其密封作用主要靠活塞环来实现。其主要部件十字头体通过十字头销、连杆体与曲轴的曲颈连接，同时通过端部的上紧装置与活塞杆连接，将驱动机的回转运动转化为往复的直线运动，带动活塞杆、活塞运动。十字头体上下则通过有耐磨的十字头滑履与滑道紧密配合并保持一定的间隙，以保证可以做相对运动。十字头体与滑履之间有供调整十字头体总成(含滑履)与滑道间隙的调整垫片。

3、活塞杆跳动量调整前相关数据的测量

3.1十字头滑道及活塞杆水平度的测量

在安装和调整十字头前，要先测量十字头滑道的水平度，要求在规范允许范围之内，越小越好，允许气缸侧稍高，以消除气缸安装后气缸重量对十字头滑道水平度的影响。然后测量滑道的直径，并根据十字头体与滑道的间隙要求，确定十字头体(含滑履)的直径，再根据十字头体直径及滑履的厚度，确定十字头与滑履间垫片的总厚度。然后根据滑道主受力面的位置及间隙要求确定上下滑履与十字头体间垫片的厚度，并对十字头体进行组装。安装好十字头体及活塞杆后测量活塞杆的水平度，要求活塞杆的水平度在规范允许范围之内，越小越好，并在数据及方向上与滑道的水平度保持一致。这样基本保证了活塞杆中心线与十字头中心线是一个轴线。

3.2防喘振治理及控制方案

基于离心压缩机在不同转速下运行时出现的喘振故障，得到了压缩机喘振工况运行的性能参数，将这些喘振点的参数同时显示在同一坐标性能曲线上，并将所有点连接起来就得离心压缩机的喘振线。综上所述，压缩机正常运行中为了避免压缩机处于喘振工况区域，需要压缩机运行工况远离喘振线附近，其具体调整方案如下：压力调节，在压缩机正常运行期间，如果排放压力高于设定压力，可通过入口流调节输出压力，或打开防喘振控制阀以释放部分气体介质压力。还可以安装旁通管，以保持通过回流旁通阀维持的排气压力，并将流量保持在规定的最小流量内，从而确保压缩机流量不处于喘振工况条件下。合理控制防喘振安全裕度，根据离心式压缩机的性能曲线，如图6所示，在喘振线的右侧采用防喘控制线作为喘振调整器的设定值曲线，与喘振线之间的该区域是就是压缩机的安全裕度区域。这是正常压缩机运行期间实时流量和转速之间的比率。当压缩机工作点接近过喘振线时，喘振控制阀将自动打开，将工作点向右移动到安全裕度区域，从而有效避免喘振。

3.3对离心压缩机的叶轮处以及隔板结疤处进行及时的处理

离心压缩机在实际的运行过程中其运转的速度非常快，在这种情况下设备的隔板以及叶轮处经常会产生结疤的现象，一旦设备运行过程中出现了结疤的情况，就会在极大程度上对压缩机的进气量产生一定的影响，并在此基础上导致设备中的转子出现不平衡状态，这样的话仅仅会造成大量的天然气燃料在设备处理中被浪费，还会使得离心压缩机的使用寿命不断缩短。所以相关工作人员在实际的操作过程中一定要在离心压缩机的进气口处灌入大量的水，通过使用这种方式利用压缩机本身的离心力对叶轮处以及隔板的结疤问题进行处理，但是需要注意的是，离心压缩机在实际的运行过程中具有较快的转速，所以如果工作人员在实际的操作中，直接将水注入设备中非常容易产生叶轮损坏的问题，因此工作人员在注水之前应该先将水进行高压雾化处理，从而保障水能够均匀的进入到压缩机中，除此以外。相关的工作人员还应该经常对结疤处进行定期的清理。与此同时，工作人员还应该对离心压缩机背部的沙尘进行一定的清理，在清理过程中可以使用二氧化碳气体，对灰尘进行一定的清理，这种方式能够有效地防止叶轮以及隔板出现结疤的问题，而且具有非常明显的效果。

结束语

活塞杆失效的因素有很多，失效分析方法的选择很重要。合理的失效分析方法，不仅能快速找到压缩机活塞杆失效的原因，对失效问题的快速解决帮助很大，对石油化工企业设备的正常运行及安全生产意义重大。通过对活塞杆进行有限元静力学分析和模态分析，得出活塞杆最大应力处发生在外杆件部，对该部分尺寸进行优化，优化后的活塞杆的变形量比原来活塞杆的变形量小，受力整体减小的同时降低了应力集中;优化后的活塞杆结构最大程度地利用原材料，减少了切削量和加工时间。

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