李貴旺

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 研究概況

海上平臺(tái)某油田采用的是國(guó)外某廠生產(chǎn)的往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，經(jīng)過數(shù)年運(yùn)行多次出現(xiàn)軸瓦、主軸磨損等大型故障，不僅降低了設(shè)備利用率，還給油田安全生產(chǎn)帶來極大隱患。往復(fù)式活塞壓縮機(jī)主要由曲軸箱、曲軸、連桿、十字頭、活塞、缸體等部件組成，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖 1所示。該往復(fù)式壓縮機(jī)軸瓦采用的是薄壁式滑動(dòng)軸瓦類型，可以承受較大載荷，具有良好的減磨性、適應(yīng)性、壓入性，使用壽命長(zhǎng)。但我平臺(tái)壓縮機(jī)軸瓦平均使用壽命僅為 1a左右，嚴(yán)重低于正常使用壽命，且機(jī)組運(yùn)行過程中振動(dòng)值偏高，穩(wěn)定在8mm/s左右(廠家建議值：4～6mm/s)。為解決壓縮機(jī)軸瓦異常磨損問題，需對(duì)該機(jī)組進(jìn)行深入分析，查找問題根源，優(yōu)化設(shè)備工況。

圖1 往復(fù)式活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of reciprocating piston compressor

2 軸瓦磨損分析

2.1 故障原因初步分析

收集現(xiàn)場(chǎng)故障資料發(fā)現(xiàn)，連桿大頭瓦及曲軸主軸瓦均存在不同程度的磨損，尤其是連桿大頭瓦磨損頻次較高。經(jīng)過對(duì)軸瓦磨損形態(tài)的分析，完成對(duì)軸瓦磨損原因的初步判定。

2.1.1 連桿大頭瓦磨損

連桿大頭瓦表面受到交替變化載荷作用，使軸瓦表面產(chǎn)生往復(fù)作用的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。如果軸瓦承受的載荷超出了許用極限，會(huì)導(dǎo)致合金層表面產(chǎn)生顯微裂紋，隨著應(yīng)力的不斷重復(fù)，特別是當(dāng)潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋縫隙后，由于潤(rùn)滑油的見裂作用，使裂紋在軸承中不斷擴(kuò)展，最后形成疲勞破壞。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，軸瓦表面鍍層脫落，漏出底部合金層，如圖2所示。

圖2 連桿大頭瓦磨損Fig.2 Wear of connecting rod big end bearing bush

2.1.2 主軸瓦磨損

由于曲軸主軸頸變形(圓錐形)或機(jī)身主軸瓦孔變形，導(dǎo)致曲軸與軸瓦一側(cè)先接觸，使該側(cè)承受了絕大部分的載荷，超出了油膜承載能力，造成了潤(rùn)滑不充分的現(xiàn)象發(fā)生，加劇了軸承的磨損，如圖3所示。

圖3 主軸瓦磨損Fig.3 Main bearing bush wear

現(xiàn)場(chǎng)通過潤(rùn)滑系統(tǒng)排查、軸瓦配合間隙檢測(cè)等措施排除了機(jī)組潤(rùn)滑不良影響因素，通過主軸換新、軸瓦座檢測(cè)、軸瓦換新等措施排除了部件存在缺陷影響因素，通過機(jī)組曲軸箱安裝調(diào)試、電機(jī)單轉(zhuǎn)測(cè)試、對(duì)中調(diào)整、地腳軟腳檢查等措施排除了安裝不當(dāng)影響因素。綜上所述，該機(jī)組軸瓦異常磨損按照常規(guī)思路難以解決，需要進(jìn)行深度分析，查找故障根源。

2.2 軸瓦磨損深度分析

2.2.1 機(jī)組動(dòng)力學(xué)分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)零件的測(cè)繪、原廠資料的整理及機(jī)組運(yùn)動(dòng)件相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)分析，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力計(jì)算采用 API 618—2007標(biāo)準(zhǔn)，分別得出了氣體力、往復(fù)慣性力、綜合活塞力及曲軸法向力，具體數(shù)值如表 1所示?？梢钥闯鰴C(jī)組往復(fù)慣性力較大，機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速與活塞行程疊加后的活塞線速度為 6.307m/s(原設(shè)計(jì)為 6.26m/s)，活塞線速度超過了國(guó)際主流廠家通常都遵循的不超過6.0m/s的設(shè)計(jì)原則。機(jī)組較高的活塞線速度導(dǎo)致最大拉伸往復(fù)慣性力155kN，機(jī)組允許綜合桿載荷值156kN，曲拐和十字頭銷負(fù)載率接近 100%，沒有安全余量。連桿大頭瓦承受的最大法向力為 169kN，超過了機(jī)組允許綜合桿載荷值，違反高速往復(fù)機(jī)所有運(yùn)動(dòng)部件受力不超過機(jī)組綜合桿載荷的設(shè)計(jì)基本原則，機(jī)組在此種工況下運(yùn)行存在軸瓦過早損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果匯總Tab.1 Summary of dynamic analysis results

2.2.2 軸瓦比壓分析

利用軸瓦比壓計(jì)算公式，計(jì)算得出軸瓦在此載荷下所承受的最大比壓為 23MPa(正常情況銅合金軸瓦使用比壓為 15～20MPa)，超出了國(guó)際壓縮機(jī)廠商常規(guī)的軸瓦設(shè)計(jì)許用值，極易導(dǎo)致軸瓦過早產(chǎn)生疲勞破壞。

式中：P為軸瓦比壓；F為軸承所受載荷；D為軸瓦直徑；L*為軸瓦有效寬度，L*＝L-l(L為軸瓦總寬度，l為軸瓦右槽寬度)。

綜上所述，該機(jī)組軸瓦磨損是由于軸瓦受力過大所致，機(jī)組設(shè)計(jì)存在一定缺陷，為解決軸瓦異常磨損故障，需對(duì)該機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造。

3 機(jī)組優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

針對(duì)軸瓦異常磨損主因，圍繞降低軸瓦受力載荷、改善軸瓦運(yùn)行工況，共設(shè)計(jì)了3套改造方案。

3.1 方案一：降低機(jī)組轉(zhuǎn)速

通過機(jī)組軸瓦磨損故障分析可以看出，機(jī)組較高的轉(zhuǎn)速以及活塞線速度對(duì)于機(jī)組本身的安全運(yùn)行造成潛在風(fēng)險(xiǎn)，降低機(jī)組轉(zhuǎn)速可以有效降低該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，同時(shí)可以提高機(jī)組磨損部件使用壽命。

機(jī)組降低轉(zhuǎn)速(由1500rpm降至1000rpm)后，處理能力將有所降低，機(jī)組降速后運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 機(jī)組降速后理論參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of theoretical parameters after unit speed reduction

3.2 方案二：降低機(jī)組往復(fù)慣性質(zhì)量

往復(fù)慣性質(zhì)量與機(jī)組承受的往復(fù)力密切相關(guān)，通過機(jī)組大頭連桿瓦、曲拐和十字頭銷負(fù)載率方面的分析報(bào)告可以看出，該機(jī)組在這些方面存在安全余量不足。降低機(jī)組往復(fù)慣性質(zhì)量可有效降低往復(fù)力，可以解決軸瓦異常磨損故障。

3.3 方案三：改變軸瓦寬度或直徑

通過改變軸瓦寬度或直徑可以降低軸瓦比壓，改善軸瓦受力情況。

綜合分析以上3項(xiàng)改造方案可行性，從經(jīng)濟(jì)角度考慮優(yōu)先選擇改造方案二。

4 機(jī)組輕量化改造及后評(píng)估檢測(cè)

為了改善機(jī)組的受力情況，從降低往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量入手，對(duì)原運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)原機(jī)組一級(jí)活塞體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過分析，在不降低原運(yùn)動(dòng)件使用性能的前提下，機(jī)組的總往復(fù)質(zhì)量大約可以降低 21.7%，優(yōu)化后的軸瓦比壓可以降低 14%，且小于 20 MPa。同時(shí)只選擇活塞改造，其他部件可以不做相應(yīng)改動(dòng)，改造成本較低，后期維修影響較小。通過對(duì)活塞體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，原結(jié)構(gòu)為兩側(cè)鍛鋁中間鋼套，將中間鋼套改為鍛鋁材料并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以顯著改善軸瓦的受力狀況，提升軸瓦的疲勞壽命。改造前后對(duì)比見圖 4、圖5，活塞輕量化后數(shù)據(jù)對(duì)比見表3、表4。

表3 活塞改造前后重量對(duì)比Tab.3 Weight comparison of piston before and after reconstruction

表4 活塞輕量化改造前后動(dòng)力學(xué)分析對(duì)比Tab.4 Dynamic analysis and comparison of piston before and after lightweight reconstruction

圖4 機(jī)組原結(jié)構(gòu)Fig.4 Original structure of unit

圖5 輕量化方案Fig.5 Lightweight solution

此項(xiàng)改造改善了軸瓦受力工況，還避免了二級(jí)十字頭加裝配重塊來達(dá)到配重要求的情況，避免了機(jī)組運(yùn)行過程配重塊掉落對(duì)十字頭、連桿產(chǎn)生較大力矩的大型故障發(fā)生，降低了設(shè)備大型故障發(fā)生的幾率。本次改造通過了國(guó)內(nèi)知名壓縮機(jī)廠的技術(shù)認(rèn)可，并委托具有相關(guān)資質(zhì)的單位定制新活塞。

新活塞加工完成后，委托某裝備公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。機(jī)組測(cè)試結(jié)果表明，運(yùn)行參數(shù)正常，機(jī)組振動(dòng)得到顯著改善，降至5 mm/s左右，如圖6所示。

壓縮機(jī)活塞輕量化改造自2018年9月調(diào)試成功后，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至2019年6月，已累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)6300h，壓縮機(jī)振動(dòng)及電機(jī)振動(dòng)值明顯降低，無軸瓦異常磨損故障發(fā)生，各項(xiàng)指標(biāo)正常，改造效果良好。為了更好地評(píng)估檢驗(yàn)輕量化改造的效果，委托第三方進(jìn)行壓縮機(jī)輕量化改造后評(píng)估工作，檢測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)后機(jī)組各部件技術(shù)數(shù)據(jù)并與初始裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定是否存在偏差，是否需要進(jìn)行必要的整改和調(diào)整。經(jīng)過后評(píng)估機(jī)組拆卸檢測(cè)，軸瓦未出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)動(dòng)件間的配合間隙基本無變化，均在廠家手冊(cè)要求允許范圍內(nèi)，活塞未見異常，機(jī)組各部件狀態(tài)良好。這表明，壓縮機(jī)活塞輕量化改造取得成功。

圖6 機(jī)組改造后壓縮機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)圖Fig.6 Vibration trend of compressor after reconstruction

5 總 結(jié)

通過對(duì)機(jī)組動(dòng)力學(xué)分析、軸瓦比壓計(jì)算，發(fā)現(xiàn)機(jī)組設(shè)計(jì)存在一定缺陷，找到軸瓦磨損問題的根源所在。針對(duì)故障主因編制相應(yīng)方案設(shè)計(jì)、方案調(diào)研、方案修改，最終形成最優(yōu)改造方案。通過機(jī)組活塞輕量化改造，降低了機(jī)組往復(fù)慣性力，顯著改善了機(jī)組運(yùn)行工況，降低了機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)值和軸瓦受力載荷，延長(zhǎng)了軸瓦使用壽命。與此同時(shí)也給其他單位解決此

類壓縮機(jī)軸瓦異常磨損難題提供了一個(gè)科學(xué)有效的方法。■