往复式压缩机活塞杆磨损故障分析及处理

李 东，吴建利，林远平，黄 林

（中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都 610100）

0 引言

随着国家提出全力保障国家能源安全，推动能源高质量发展，作为天然气采气和集输的重要装备，往复式压缩机的安全平稳运行越来越重要。针对西南油气田某轻烃厂DTY1400 型往复式压缩机活塞杆异常磨损进行故障分析，提出相应的解决办法和压缩机维保建议，减少了压缩机的非计划停机，保证生产需求。

1 DTY1400 型压缩机

该DTY1400 型压缩机由电机驱动，转速990 r/min，采用4列二级压缩，其中2 个一级缸、2 个二级缸，主要用于天然气外输。其主要设计参数为：机组型号DTY1400；排气量4×106Nm3/d；吸气压力0.4～1.6 MPa；吸气温度0～35 ℃；排气压力≤3.8 MPa。

机组设计最高工作压力3.8 MPa，使用时二级排气压力3 MPa，在设计范围内，无超压情况。润滑油消耗量25 L/d，在设计范围内；机组在调试正常后运行500 h，进行过例行检查，没发现异常。使用中，机组运行平稳，无异常响声出现。

2 活塞杆异常磨损故障现象

该机组在运行到4120 h 时，使用方按机组操作维护手册对机组进行正常的维保作业时，拆卸观察室边盖，发现二级一列活塞杆填料段发蓝（图1），随即抽出二级一列活塞杆，测量其尺寸发现活塞杆直径最大磨损达0.50 mm。通过厂家专业技术人员到现场又对其余几列活塞进行拆卸检查，发现所有活塞杆均出现不同程度磨损（表1）。根据DTY1400 压缩机机组技术手册，填料段活塞杆直径极限尺寸为63.47 mm，其中一级二列活塞杆最大磨损0.15 mm，一级四列活塞杆最大磨损0.16 mm，二级三列活塞杆最大磨损0.27 mm，二级一列活塞杆最大磨损达到0.50 mm。同时，拆卸检查填料盒，发现填料环也出现磨损变形（图2）。

表1 填料段活塞杆外径测量尺寸统计 mm

图1 二级一列活塞杆观察室段发蓝

图2 填料环

3 填料密封结构及原理

填料环是包在活塞杆上的密封组件，填料组件通常由减压环和多组主密封环组成，每组填料环分别装配在单独的填料盒中（图3）。减压环的主要功能是在吸气冲程时，降低填料盒内高压气体向气缸端的回流速度，防止主密封环被损伤，阻止杂质进入填料盒。主密封环的主要功能是起密封作用，防止气体从高压侧流向低压侧，在吸气冲程中使残存在填料盒内的高压气体回流至气缸。

图3 填料组件结构

一套填料组件从介质侧到大气侧包括：一组起减压作用的减压环；阻止气体介质泄漏的几组主密封环；最外侧是双作用的氮气密封环，阻止气体介质从排气孔泄漏到隔离室。每组主密封填料环一般包括1 个阻流环、1 个切向环和1 个径向环。阻流环目的是防止密封环在高温、高压情况下发生蠕变，通常情况下阻流环由硬质塑料或金属制成；切向环装在靠近大气侧，起到密封作用；径向环装在汽缸侧，起到辅助密封、减压与泄压作用。一般主密封环为单作用密封环，采用径向环和切向环结构；由内缘与活塞杆配合，在压缩机运行时，高压气体进入小室，把填料压紧在活塞杆上，径向环和切向环配合，起密封作用。因为径向环和切向环的切口交错，没有气体的泄漏途径，在排气冲程中对气体起密封作用，而在吸气冲程中，又允许残留在填料盒内的气体再次回流到气缸内。

往复式压缩机填料密封环的作用是防止气缸中的高压气体沿着活塞杆方向泄漏，它是压缩机中最重要的零部件之一，也是压缩机最主要的外泄漏途径之一。通常情况下，填料密封环是一种动密封环，即只有在压缩机工作时才起密封作用（图4）。

图4 填料密封原理

4 活塞杆磨损原因分析

影响活塞杆磨损的因素很多：活塞杆润滑不足；活塞杆安装不好跳动大；填料弹簧弹力过大，抱得太紧；填料盒尺寸偏小或填料热胀，轴向间隙小，不能浮动等。在未找到磨损原因前，直接更换活塞杆、填料环，加载运行后，从隔离室处出现蒸汽，同时测得活塞杆温度偏高，最高温度达180 ℃，检查润滑油注油正常。又停机拆检，检查活塞杆尺寸、查活塞杆跳动量等均符合标准。但是活塞杆在上死点位置已经轻微发蓝变色，证明原填料环跟活塞杆配合出现问题。

4.1 活塞杆润滑不足

通过对活塞杆进行仔细检查，发现填料段活塞杆已经呈现蓝紫色，填料盒内主密封环也有烧结痕迹，可判断是由于活塞杆温度高使机油结焦积碳，造成活塞杆表面无润滑油，润滑不足导致活塞杆磨损。

4.2 活塞杆硬度达标

通过对活塞杆进行硬度检查，其芯部硬度为300 HB，活塞杆硬度表面900 HV，在设计值的芯部硬度和表面硬度要求范围内。因此，可排除是由于活塞杆硬度低造成的磨损。

4.3 工艺气含水过多

通过对工艺气组分分析，发现含饱和的湿天然气，现场操作人员也反映经常出现分离器液位高报警停机。而介质中的液体会冲刷或稀释填料中的润滑油，造成填料密封件快速磨损和过早失效。

4.4 填料设计缺陷及材料问题

根据填料环的工作密封原理，前端减压环作用主要是使气体先进行一次截流，使其后的填料所承受的压力比较平稳。根据填料环受力图（图5），减压环所承受压力最大，在压缩阶段，减压环被进入小室的气体压紧到活塞杆上[1]。经仔细测量检查活塞杆磨损段，发现磨损点在活塞死点位置，刚好是氮气密封环和减压环位置磨损最大（图6），往主密封环呈逐渐减小趋势。

图5 传统BTR 环组的环槽压力分布

图6 活塞杆磨损

填料组件减压环、主密封环材料均为聚四氟乙烯，该材料抗磨能力强，韧性和耐腐蚀性好，但材料很硬，自润滑性能差，导热性差，热膨胀系数大，强度低。按照工艺要求，更换新环检测装配尺寸，测得减压环侧隙实测值0.30 mm，较设计值偏小；主密封环侧隙实测值0.20 mm，也比设计值偏小。由于其侧隙偏小，造成填料环和减压环在机组运行时，在高温高压的气体作用下，其承受的高压气体力很容易使其变形而与活塞杆脉动硬性接触产生更多的摩擦热，使活塞杆和环的温度升高，在小室内卡死，导致活塞杆的加速磨损[2]。

4.5 氮气密封环问题

由于该厂压缩气体为净化天然气不含硫，用户就没有连接氮气。两组双作用氮气密封环没有气体冷却，故与活塞杆摩擦产生的热量较多，导致氮气环膨胀抱死活塞杆，造成过度磨损。同时，由于氮气环与活塞杆过度摩擦生热后，热的活塞杆影响靠近氮气环的主密封环，使其膨胀，致使填料环与填料盒轴向间隙偏小影响润滑效果。

5 处理措施

采取以下措施后，该压缩机机组运行至今未出现活塞杆磨损的现象：①更换润滑油型号，选用润滑油黏度稍高的牌号，避免润滑油被稀释冲走；②根据实际使用情况，去掉氮气密封环；③增加减压环强度，增大侧隙，避免在轴向气体力的作用下减压环变形；④在填料环中加入新填充剂，提高强度，增加导热率，改善耐磨性；⑤减小主密封环侧隙，把第1 片塑料材料改为金属环，增加强度承受冲击，加快散热，降低填料环内温度（图7）。

图7 新填料环

6 结束语

分析压缩机活塞杆异常磨损的原因，其磨损是多方面因素导致的，只要分析合理，采取了正确的措施，就能解决故障。此次的故障处理，也改进和优化了设计，提高了压缩机运行的安全可靠性。建议严格监控机组各运行参数，定时排液，定期检测活塞杆温度及润滑油消耗量，从而保证压缩机机组的正常运行。