針對二氧化碳壓縮機故障頻繁問題，分析原因，提出改造備選方案，從經(jīng)濟性分析角度選擇最終改造方案，并從理論及數(shù)據(jù)測量角度驗證改造效果，保證了方案的適宜性。

一、前言

　　億方公司二氧化碳壓縮機為二氧化碳氣體的輸送設(shè)備，單臺運行，沒有備臺，控制整個車間的原料輸送命脈，是生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備由沈陽氣體壓縮機廠制造。型號為2D12—80/0.35—5.5，主要性能參數(shù)見表1。

表1 二氧化碳壓縮機主要性能參數(shù)

　　自2008年投用以來，頻繁檢修，平均周期為23天左右，嚴重影響生產(chǎn)，增加了維修費用，而且真空技術(shù)網(wǎng)認(http://www.healwit.com.cn/)為這是裝置安全生產(chǎn)的重大隱患。

二、故障現(xiàn)象描述

　　壓縮機故障主要表現(xiàn)在二級壓縮機支撐環(huán)壽命過低，經(jīng)過多次檢修支撐環(huán)磨損嚴重，沿圓周方向不對稱分布，與開口方位無關(guān)，經(jīng)統(tǒng)計其磨損方位主要集中在活塞下部，如圖1所示。

圖1 壓縮機支撐環(huán)磨損部位

三、故障原因分析

　　相比活塞環(huán)，支撐環(huán)并非壓縮機使用中的易損件，而且其失效形式不是沿徑向較均勻的減薄，減薄方位沿重力方向的選擇性表現(xiàn)出了活塞在往復(fù)運動中，活塞環(huán)并沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。活塞在運動中同樣依靠支撐環(huán)的支撐作用，在重力作用下，形成支撐環(huán)與氣缸壁的機械磨損。使本不應(yīng)該承受摩擦力的支撐環(huán)受到磨損，而使支撐環(huán)壽命縮短。

　　活塞環(huán)依靠節(jié)流與阻塞來密封，其密封原理如圖2所示。當環(huán)裝入氣缸后，由于環(huán)的彈性，產(chǎn)生預(yù)緊力pK，使環(huán)緊貼在缸壁上，當氣體通過金屬表面高低不平的的間隙時，受到節(jié)流與阻塞作用，壓力自p1降至p2。同時，由于活塞環(huán)和環(huán)槽間有側(cè)間隙，環(huán)緊靠在壓力低的一側(cè)。所以在活塞環(huán)內(nèi)表面與環(huán)槽間隙處(常稱背間隙)，有一個近似等于p1的氣體壓力(背壓)作用著。而沿活塞環(huán)外表面作用的氣體壓力則是變化的，從p1變至p2，其平均值近似等于(p1+p2)/2。這樣，便在半徑方向產(chǎn)生了一個壓力差 Δp ≈p1-(p1+ p2)/2=(p1-p2)/2，這個壓力差使活塞環(huán)緊貼在缸壁上達到密封作用。同理，在軸上也有一個壓力差，把環(huán)緊壓在環(huán)槽的側(cè)面上起密封作用。氣缸內(nèi)壓力越大，密封壓緊力也越大，活塞環(huán)有自緊密封的特點。

圖2 壓縮機活塞環(huán)受力情況

　　經(jīng)過調(diào)查，該二氧化碳壓縮機的實際流量僅為2 500m3/h，遠小于壓縮機的設(shè)計額定流量，活塞環(huán)在運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的自緊壓力Δp小于設(shè)計預(yù)緊力。結(jié)論，由于壓縮機型號與實際不匹配，造成活塞環(huán)在運轉(zhuǎn)中自緊力不足，往復(fù)式壓縮機填料函對軸僅具有柔性定位的功能，這導致活塞在往復(fù)運動中，活塞部件因重力作用下垂，支撐環(huán)下部磨損嚴重。這是造成壓縮機檢修周期短的根本原因。

四、改造方案選擇

　　從技術(shù)的角度，改造方案(見表2)有：一是更換壓縮機，按現(xiàn)有工藝參數(shù)重新選取合適的壓縮機;二是更換氣缸襯套，減小缸徑至正常流量范圍匹配的缸徑，并更換活塞;三是選取更加耐磨材質(zhì)的活塞環(huán)及支撐環(huán)，并從細節(jié)設(shè)計上減少支撐環(huán)承受摩擦力，達到延長支撐環(huán)使用壽命，延長檢修周期的目的。

表2 改造備選方案

　　對表2中三種可行備選方案進行使用經(jīng)濟性分析。計算一次性投資，動力費用、維修費合計值，其中維修費用不含自修人工費，按8年使用周期計算，其費用見表3。

表3 改造方案經(jīng)濟性分析

　　從技術(shù)可行性及8年壽命周期費用角度換壓縮機是最合適的方案，但更換壓縮機一次性投資費用偏大，且壽命周期費用優(yōu)勢并不明顯，針對公司目前情況，擬采用第3套方案。

五、解決方案

　　1. 減輕活塞重量

　　由原因分析可知，減少活塞因自身重力產(chǎn)生的向下壓力，有利于減少活塞環(huán)局部磨損。鑄鐵密度ρ=7.3g/cm3，鑄鋁密度ρ=2.7g/cm3。原有活塞一半材質(zhì)為鑄鐵，另一半為鑄鋁，將鑄鐵的一半也更換為鑄鋁后，作用在活塞上的重力減少至原來的70%。相應(yīng)由此產(chǎn)生的摩擦力也減少至原來的70%，考慮活塞的重量，相應(yīng)支撐環(huán)壽命也應(yīng)提高至原來的1.43倍。由于本臺設(shè)備在氣缸排列上屬于對稱平衡型排列，改變二級氣缸活塞重量之后，曲軸往復(fù)慣性合力將發(fā)生變化，為此，經(jīng)咨詢廠家曲軸往復(fù)慣性合力在合理范圍之內(nèi)。改選完畢后，對壓縮機振動情況進行數(shù)據(jù)驗證。

　　2. 改變支撐環(huán)及活塞環(huán)材質(zhì)及規(guī)格

　　原有材質(zhì)為4F—4，更換后材質(zhì)為PEEK，與 4F—4相比，有如下優(yōu)勢：一是PEEK滑動特性更好，適合于嚴格要求低摩擦因數(shù)和耐磨用途使用。二是PEEK對交變應(yīng)力的優(yōu)良耐疲勞性能出眾，可與合金材料媲美。三是優(yōu)良的自潤滑性 。原有活塞為兩道支撐環(huán)和四道活塞環(huán)。為延長支撐環(huán)使用壽命，增加支撐環(huán)寬度至原來的1.2倍，這樣就增加了支撐面受力面積，延長了磨損時間。同時將活塞環(huán)減為三道。

六、方案驗證

　　1. 機組振動情況驗證

　　為研究改造前后機組振動情況，采用VM—63便攜式測振儀對氣缸端蓋及電動機側(cè)軸承部位進行振動監(jiān)測。機組及二級氣缸端面各測點如圖3、圖4所示。

　　二級氣缸端面各測點的位移振值測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 二級氣缸端面各測點的位移振值

　　應(yīng)用測振儀VM—63測得機組二級側(cè)曲軸箱端面各測點的位移振值見表5。

表5 二級側(cè)曲軸箱端面各測點的位移振值

　　表4中數(shù)據(jù)表明改造后二級活塞端面位移振動位移增大，但增輻小于20%，在廠家提供位移振輻50μm范圍之內(nèi)。

　　由表5數(shù)據(jù)可以看出曲軸箱端面測點位移振幅幾乎沒有變化，說明改造后對曲軸軸承幾乎沒有影響。

　　2. 支撐環(huán)磨損數(shù)據(jù)驗證情況

　　連續(xù)使用1個月、2個月、3個月和4個月后對支撐環(huán)進行磨損檢測，具體數(shù)據(jù)見表6。數(shù)據(jù)表明壓縮機在使用4個月后，支撐環(huán)磨損量仍在合格范圍之內(nèi)。

表6 支撐環(huán)磨損檢測數(shù)據(jù)

七、結(jié)語

　　該壓縮機自2012年改造后，運行平穩(wěn)，每4個月正常檢修一次。每年節(jié)約檢修費用近15萬元。改造用最小的投資保障了裝置的長周期穩(wěn)定運行，解決了困擾裝置多年的問題，達到了改造目的。