火炬壓縮機活塞磨損的機理研究與分析

馬文禮,何永垚,王艷芝,吉小飛

(1. 延安大學石油與環境工程學院,陜西 延安 716000; 2. 新疆同益投資有限公司檢維修工程分公司,新疆 克拉瑪依 834003)

活塞作為氣缸體內做功的重要部件,制造時必須考慮介質、運行工況等因素,以滿足做功時所必須具有的強度,以及在長時間使用中具有足夠的耐磨性、耐蝕性的要求。這些機組連續運行,通過計劃性的檢修,及時進行易損件的更換和各部件的檢查、修理,是能夠確保機組的良好運行的。但是在多年的運行中,一些非易損部件也將不可避免地產生磨損,這就需要在每次檢修中都能夠做到認真檢查和測量,并在運行中保持跟蹤監測,盡量在部件磨損接近超標時及時更換配件,這樣既能達到節約成本的目的,又能保證機組正常運行。在多次檢修中,逐漸發現這些機組的活塞都有不同程度的磨損,而且活塞的磨損特征幾乎相同,一個顯著的特點就是活塞支撐環槽側部的磨損比較明顯。其中,火炬機組相比較其他裝置的機組,活塞磨損特征更為明顯,使用壽命更短。為了分析這類活塞組件磨損的規律和原因,在歷次檢修中都認真地記錄了活塞組件的磨損情況。在此基礎上,本文對火炬壓縮機的活塞磨損情況進行了比較完整的總結,描述出磨損特征,并對造成磨損的原因進行了深入分析【1】。

1 鑄鋁活塞組件的特點

石化行業的往復式壓縮機,活塞的結構形狀均為鼓形,因此活塞的體積和質量都比較大。往復式壓縮機中,活塞常用的材料有鋁合金、灰鐵、以及碳素結構鋼。而廣泛應用的中壓壓縮機多采用鋁合金活塞,有的在二級也會使用35號鋼制活塞。鋁合金活塞常用的材料有ZL104、ZL108或是LD10【1】。某石化公司火炬式壓縮機的活塞使用的材料均為ZL104【2】。這是因為考慮到機組排氣量大,活塞體積和尺寸相應較大,而鑄鋁活塞的密度低,為2.65 g/cm3,比鋼或鑄鐵小一倍,所以應用在活塞上會有效減輕其質量,進而減緩活塞、支撐環及缸套的磨損,并降低活塞慣性力對運動機構的影響。鑄鋁活塞一般會制成空心結構,以便最大限度地減小質量,同時采用筋條加強,并在端面上設置清砂孔,出廠前用螺塞封閉,此外,還要采用防漏、防松措施。鑄鋁活塞實物如圖1所示,其剖面如圖2所示。

圖1 鑄鋁活塞實物

圖2 鑄鋁活塞剖面

鑄鋁硬度不高,活塞表面需要經過硬化及防腐處理,需要根據介質的工況特點,使表面具備一定的耐磨性的同時,還能有效耐受介質的腐蝕。

近年來,持續運行的火炬壓縮機組活塞磨損明顯。經過對幾臺火炬機組多次檢修時的測量和觀察,發現活塞支撐環環槽處磨損尤其嚴重?；钊h、支撐環雖然在大修時都更換過,但其仍有一定程度的磨損,這對活塞的磨損也起到了直接的作用。

2 活塞組磨損特征

活塞上受力且有相對接觸摩擦的部位分別為活塞環槽、支撐環槽,所以磨損也只發生在這兩個部位。經過檢查測量發現,支撐環槽的磨損比較明顯,而活塞環槽磨損則相對輕微。

1) 環槽底面的磨損

在檢修中很容易就能觀察到,活塞支撐環槽底面有比較光亮的磨痕。磨痕顯示出了活塞在運行中起支承作用的部位及其大小,大約為活塞圓周90°的范圍(見圖3)。雖然支撐環槽底面磨痕明顯,但是在整個活塞圓周長,測量各處支撐環槽底面至活塞表面距離,最大與最小值也僅相差0.40 mm(因為活塞表面與缸套不接觸,可以作為測量參考)。在多次檢修中更換新的支撐環后,測量支撐環距氣缸底部間隙均變化不大,這也說明支撐環槽底面磨損速度還是比較緩慢的。

圖3 支撐環槽底面磨損部位

2) 活塞支撐環槽側部的磨損

2019年5月檢修發現,支撐環槽磨損超標,在支撐環裝配狀態下觀察,其軸向間隙明顯很大。支撐環軸向間隙超標情況如圖4所示。

圖4 支撐環軸向間隙超標情況

表1所示為歷次檢修中測量的火炬J-5號機組活塞支撐環槽的寬度和測量出的軸向間隙。

表1 支撐環槽的寬度和間隙

為了判斷磨損發生的部位,首先測量支撐環的寬度。沿圓周均勻取點測量,然后計算最大和最小差值,約為0.30 mm。支撐環定期更換,但在每次檢修時的測量,一般均不會超過該數值。和原始尺寸比較,支撐環寬度最大處的測量值甚至基本沒有變化,這說明支撐環在寬度上存在磨損情況,但比較輕微。然后測量支撐環槽寬度情況,變化則非常明顯(見表1)。表1中數據說明,支撐環槽側部磨損量已經很大,間隙嚴重超標,而且在后續使用中磨損還在加劇。進一步分析表1中數據,發現支撐環槽側部磨損最為嚴重的地方是活塞上方,恰與前述環槽底面發生磨損的位置相反,而下方受支承力位置的環槽側部磨損相對最輕,中間兩側次之。在測量中還發現,支撐環槽越靠近外緣磨損量越大,磨損后的支撐環槽截面呈倒梯形,如圖5所示【3】。這是因為高壓氣體溫度高,且通過活塞環作用于環槽的單位壓力很大,同時,在活塞高速運動中,活塞環對環槽的沖擊也很大;同一環槽的磨損以下平面最為嚴重,而上平面相對較輕,因為活塞環在工作中作用于環槽下平面的單位壓力很大,而且作用時間長。

圖5 支撐環槽磨損呈倒梯形

介質的粉塵磨蝕對支撐環的非均勻磨損影響輕微。

活塞環槽的側部磨損一直比較輕微和緩慢,從每次檢修后更換活塞環測量的軸向間隙看,間隙基本都能滿足運行要求。

若活塞尤其是其支撐環磨損嚴重,則將直接導致支撐環安裝后的軸向間隙嚴重超標,使得運行中出現異音,加快支撐環、缸套磨損,甚至會導致支撐環斷裂的情形發生,引起機組故障。

3 活塞磨損原因分析

3.1 活塞自身材料問題

活塞材質為ZL104,其強度高于ZL101、ZL102等合金,耐蝕性好,但切削加工性和焊接性一般。經查ZL104的硬度僅為HBS70(布氏硬度),其硬度和耐磨性均欠佳。

提高鋁合金的表面硬度和耐蝕性能的一個措施就是進行鋁合金的陽極處理。所謂陽極處理,是將鋁件置于陽極,使鋁金屬表面藉由在電解液中電流的作用形成一層氧化膜。氧化膜結構細致,硬度、耐磨性和抗蝕性極高,其硬度接近甚至超過HV300,是沒有做過硬化處理前的4倍之多(據GB/T 1173—1995)【4】。

從壓縮機生產廠家了解到,該裝置使用的壓縮機鑄鋁合金活塞,表面做過陽極氧化處理(或叫硬化處理)。陽極氧化處理層的厚度和硬度受材料、加載的電壓和溫度控制的影響,是一個不確定因素,在活塞供貨時,生產廠家并沒有提供這一數值。通常的膜層厚度在40～60 μm之間,最大可以達到250 μm。所以氧化膜的厚度也是影響活塞耐磨持久性的一個重要因素。從實際情況可以推斷,日積月累的使用導致磨損突破氧化層厚度以后,如果各項間隙再控制不當的話,活塞的磨損是非常迅速的。一般PTFE材質的支撐環活塞,其常用的原料為聚甲醛(POM),屬于酚醛塑料。酚醛塑料是一種硬而脆的熱固性塑料,俗稱電木粉,其機械強度高、堅韌耐磨、尺度穩定、耐腐蝕、電絕緣性能優異。表2是各種活塞材料同PTFE配磨的相對磨損量。由表2可見,鑄鋁合金的相對磨損量是相當大的,這也是活塞在后期磨損愈發嚴重的原因【5】。此外,表面粗糙度對零件表面磨損的影響也很大,一般來說,表面粗糙度值越小,有效接觸面積就越大,接觸點處的壓強越小,其耐磨性越好;但表面粗糙度值太小,因接觸面容易發生分子粘結,且潤滑油不易儲存,反而會使磨損加劇。因此,就磨損而言,存在一個最優表面粗糙度值。

表2 與PTFE配磨的材料相對磨損量

3.2 介質的腐蝕作用和產生的結晶物

火炬壓縮機介質氣組分非常復雜,其中含有硫化物的成分,這就對活塞的耐腐蝕性提出了要求。從磨損量以及陽極硬化層的厚度上分析,機組活塞在磨損到達一定程度后,難免會遭受腐蝕和磨損的雙重作用,使情況更加惡化。在幾次的壓縮機檢修中都發現,氣缸內壁附有結晶物。這種結晶物為銨鹽,是介質中的氨氣同硫化氫、氯化氫等組分反應形成的硫化氫銨、氯化銨、碳酸氫銨一類的結晶物。氣缸壁上的銨鹽如圖6所示。結晶物附著在活塞組件相對摩擦部位之間,使得活塞及活塞環、支撐環的磨損更加明顯【6】。

圖6 氣缸壁上的銨鹽

3.3 活塞運動

活塞往復運動方向變化后的瞬間,因為支撐環的慣性,環槽側部和支撐環側會發生沖撞。撞擊使得環槽側部外圈受力最大,而且還因為上部支撐環松曠,會在撞擊后發生震顫并逐漸貼緊環槽側部。同時隨著缸套內徑的變化,支撐環不受支承力的大部會在沿圓周迅速向開口變小(或變大)的方向滑動,促使徑向變小(大)適應缸套變化,這也會對槽側面產生摩擦?；钊鶑瓦\動方向變化瞬間如圖7所示。

圖7 活塞往復運動方向變化瞬間

4 活塞磨損的改進措施

活塞磨損的改進措施有以下幾個方面:

1) 舊活塞磨損主要問題在于支撐環槽的磨損,所以可以考慮進行修復。其中一種方法為鑲環法。鑲環為兩個半環,其材質和活塞體相同,表面進行硬化處理。支撐環需嵌入活塞卡槽中并緊緊箍住活塞,因此存在較大張緊力。支撐環安裝較為困難,操作不當容易造成支撐環損壞或活塞表面損傷。以往安裝采用人工擴張法,即使用軟質帶拴住支撐環開口處,兩名工人用力外拉,將支撐環開口處端面拉開,使支撐環內徑大于活塞外徑,以便能夠將支撐環套在活塞外圓上,然后再沿著活塞的圓柱面向下用力按壓,使其移動到活塞卡槽內。鑲環法則是采用自主研制的特制安裝工具將支撐環通過均勻擴展的方式嵌入安裝,高效便捷。支撐環槽的修復如圖8所示。此外,還可以車修環槽側部,進行硬化處理后,訂購加寬的導向環。當然如果活塞槽底磨損量過大,就只能更換了。

圖8 支撐環槽的修復

2) 對于現有機組,在進行鑄鋁活塞備件儲備時,應明確活塞表面氧化處理層的厚度、硬度,盡可能提高這兩個指標。

3) 從檢修結果看,火炬各機組的缸套都發生了不同程度的磨損。缸套的磨損不但加大了活塞桿的跳動,導致填料過快地磨損失效,而且對活塞組件的磨損也影響較大,必須引起注意。當缸套圓柱度超標時,必須更換。

4) 從前述的測量數據中分析,活塞導向環槽上方磨損超限時,下方還應在間隙要求范圍內。所以當出現這種情況時,可以及時拆卸活塞和桿的連接,調整當前活塞和桿相對位置。因為活塞與桿位鍵連接,因此可將原來環槽軸向間隙大的上方轉180°,轉至下方作為新的支承部位,達到使之均勻磨損、提高活塞使用年限的目的。

5) 對于存在銷孔的活塞,由于安裝時活塞銷孔的軸線與活塞中心線并不相交,兩根中心線之間的偏差距離就是活塞銷偏距,所以特定的活塞設計都有固定的安裝方向,一般情況下不允許調整。

5 結語

本文通過對某石化公司火炬壓縮機活塞頻繁磨損的問題進行研究,從活塞材料、工作介質、活塞運動受力等方面分析并找到產生磨損的原因,提出了幾點有效措施用于改善活塞磨損的狀況。通過一年多的實踐發現,采取上述措施后,活塞磨損大大減輕,應用效果顯著。上述措施可為同行處理類似壓縮機活塞磨損問題提供一定的借鑒。