馬文禮,何永垚,王艷芝,吉小飛

(1. 延安大學(xué)石油與環(huán)境工程學(xué)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(nèi)做功的重要部件,制造時(shí)必須考慮介質(zhì)、運(yùn)行工況等因素,以滿足做功時(shí)所必須具有的強(qiáng)度,以及在長(zhǎng)時(shí)間使用中具有足夠的耐磨性、耐蝕性的要求。這些機(jī)組連續(xù)運(yùn)行,通過(guò)計(jì)劃性的檢修,及時(shí)進(jìn)行易損件的更換和各部件的檢查、修理,是能夠確保機(jī)組的良好運(yùn)行的。但是在多年的運(yùn)行中,一些非易損部件也將不可避免地產(chǎn)生磨損,這就需要在每次檢修中都能夠做到認(rèn)真檢查和測(cè)量,并在運(yùn)行中保持跟蹤監(jiān)測(cè),盡量在部件磨損接近超標(biāo)時(shí)及時(shí)更換配件,這樣既能達(dá)到節(jié)約成本的目的,又能保證機(jī)組正常運(yùn)行。在多次檢修中,逐漸發(fā)現(xiàn)這些機(jī)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(gè)顯著的特點(diǎn)就是活塞支撐環(huán)槽側(cè)部的磨損比較明顯。其中,火炬機(jī)組相比較其他裝置的機(jī)組,活塞磨損特征更為明顯,使用壽命更短。為了分析這類(lèi)活塞組件磨損的規(guī)律和原因,在歷次檢修中都認(rèn)真地記錄了活塞組件的磨損情況。在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)火炬壓縮機(jī)的活塞磨損情況進(jìn)行了比較完整的總結(jié),描述出磨損特征,并對(duì)造成磨損的原因進(jìn)行了深入分析【1】。

1 鑄鋁活塞組件的特點(diǎn)

石化行業(yè)的往復(fù)式壓縮機(jī),活塞的結(jié)構(gòu)形狀均為鼓形,因此活塞的體積和質(zhì)量都比較大。往復(fù)式壓縮機(jī)中,活塞常用的材料有鋁合金、灰鐵、以及碳素結(jié)構(gòu)鋼。而廣泛應(yīng)用的中壓壓縮機(jī)多采用鋁合金活塞,有的在二級(jí)也會(huì)使用35號(hào)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(jī)的活塞使用的材料均為ZL104【2】。這是因?yàn)榭紤]到機(jī)組排氣量大,活塞體積和尺寸相應(yīng)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(yīng)用在活塞上會(huì)有效減輕其質(zhì)量,進(jìn)而減緩活塞、支撐環(huán)及缸套的磨損,并降低活塞慣性力對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響。鑄鋁活塞一般會(huì)制成空心結(jié)構(gòu),以便最大限度地減小質(zhì)量,同時(shí)采用筋條加強(qiáng),并在端面上設(shè)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(shí)物如圖1所示,其剖面如圖2所示。

圖1 鑄鋁活塞實(shí)物

圖2 鑄鋁活塞剖面

鑄鋁硬度不高,活塞表面需要經(jīng)過(guò)硬化及防腐處理,需要根據(jù)介質(zhì)的工況特點(diǎn),使表面具備一定的耐磨性的同時(shí),還能有效耐受介質(zhì)的腐蝕。

近年來(lái),持續(xù)運(yùn)行的火炬壓縮機(jī)組活塞磨損明顯。經(jīng)過(guò)對(duì)幾臺(tái)火炬機(jī)組多次檢修時(shí)的測(cè)量和觀察,發(fā)現(xiàn)活塞支撐環(huán)環(huán)槽處磨損尤其嚴(yán)重。活塞環(huán)、支撐環(huán)雖然在大修時(shí)都更換過(guò),但其仍有一定程度的磨損,這對(duì)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(duì)接觸摩擦的部位分別為活塞環(huán)槽、支撐環(huán)槽,所以磨損也只發(fā)生在這兩個(gè)部位。經(jīng)過(guò)檢查測(cè)量發(fā)現(xiàn),支撐環(huán)槽的磨損比較明顯,而活塞環(huán)槽磨損則相對(duì)輕微。

1) 環(huán)槽底面的磨損

在檢修中很容易就能觀察到,活塞支撐環(huán)槽底面有比較光亮的磨痕。磨痕顯示出了活塞在運(yùn)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(jiàn)圖3)。雖然支撐環(huán)槽底面磨痕明顯,但是在整個(gè)活塞圓周長(zhǎng),測(cè)量各處支撐環(huán)槽底面至活塞表面距離,最大與最小值也僅相差0.40 mm(因?yàn)榛钊砻媾c缸套不接觸,可以作為測(cè)量參考)。在多次檢修中更換新的支撐環(huán)后,測(cè)量支撐環(huán)距氣缸底部間隙均變化不大,這也說(shuō)明支撐環(huán)槽底面磨損速度還是比較緩慢的。

圖3 支撐環(huán)槽底面磨損部位

2) 活塞支撐環(huán)槽側(cè)部的磨損

2019年5月檢修發(fā)現(xiàn),支撐環(huán)槽磨損超標(biāo),在支撐環(huán)裝配狀態(tài)下觀察,其軸向間隙明顯很大。支撐環(huán)軸向間隙超標(biāo)情況如圖4所示。

圖4 支撐環(huán)軸向間隙超標(biāo)情況

表1所示為歷次檢修中測(cè)量的火炬J-5號(hào)機(jī)組活塞支撐環(huán)槽的寬度和測(cè)量出的軸向間隙。

表1 支撐環(huán)槽的寬度和間隙

為了判斷磨損發(fā)生的部位,首先測(cè)量支撐環(huán)的寬度。沿圓周均勻取點(diǎn)測(cè)量,然后計(jì)算最大和最小差值,約為0.30 mm。支撐環(huán)定期更換,但在每次檢修時(shí)的測(cè)量,一般均不會(huì)超過(guò)該數(shù)值。和原始尺寸比較,支撐環(huán)寬度最大處的測(cè)量值甚至基本沒(méi)有變化,這說(shuō)明支撐環(huán)在寬度上存在磨損情況,但比較輕微。然后測(cè)量支撐環(huán)槽寬度情況,變化則非常明顯(見(jiàn)表1)。表1中數(shù)據(jù)說(shuō)明,支撐環(huán)槽側(cè)部磨損量已經(jīng)很大,間隙嚴(yán)重超標(biāo),而且在后續(xù)使用中磨損還在加劇。進(jìn)一步分析表1中數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)支撐環(huán)槽側(cè)部磨損最為嚴(yán)重的地方是活塞上方,恰與前述環(huán)槽底面發(fā)生磨損的位置相反,而下方受支承力位置的環(huán)槽側(cè)部磨損相對(duì)最輕,中間兩側(cè)次之。在測(cè)量中還發(fā)現(xiàn),支撐環(huán)槽越靠近外緣磨損量越大,磨損后的支撐環(huán)槽截面呈倒梯形,如圖5所示【3】。這是因?yàn)楦邏簹怏w溫度高,且通過(guò)活塞環(huán)作用于環(huán)槽的單位壓力很大,同時(shí),在活塞高速運(yùn)動(dòng)中,活塞環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊也很大;同一環(huán)槽的磨損以下平面最為嚴(yán)重,而上平面相對(duì)較輕,因?yàn)榛钊h(huán)在工作中作用于環(huán)槽下平面的單位壓力很大,而且作用時(shí)間長(zhǎng)。

圖5 支撐環(huán)槽磨損呈倒梯形

介質(zhì)的粉塵磨蝕對(duì)支撐環(huán)的非均勻磨損影響輕微。

活塞環(huán)槽的側(cè)部磨損一直比較輕微和緩慢,從每次檢修后更換活塞環(huán)測(cè)量的軸向間隙看,間隙基本都能滿足運(yùn)行要求。

若活塞尤其是其支撐環(huán)磨損嚴(yán)重,則將直接導(dǎo)致支撐環(huán)安裝后的軸向間隙嚴(yán)重超標(biāo),使得運(yùn)行中出現(xiàn)異音,加快支撐環(huán)、缸套磨損,甚至?xí)?dǎo)致支撐環(huán)斷裂的情形發(fā)生,引起機(jī)組故障。

3 活塞磨損原因分析

3.1 活塞自身材料問(wèn)題

活塞材質(zhì)為ZL104,其強(qiáng)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(jīng)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(gè)措施就是進(jìn)行鋁合金的陽(yáng)極處理。所謂陽(yáng)極處理,是將鋁件置于陽(yáng)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(jié)構(gòu)細(xì)致,硬度、耐磨性和抗蝕性極高,其硬度接近甚至超過(guò)HV300,是沒(méi)有做過(guò)硬化處理前的4倍之多(據(jù)GB/T 1173—1995)【4】。

從壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家了解到,該裝置使用的壓縮機(jī)鑄鋁合金活塞,表面做過(guò)陽(yáng)極氧化處理(或叫硬化處理)。陽(yáng)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(gè)不確定因素,在活塞供貨時(shí),生產(chǎn)廠家并沒(méi)有提供這一數(shù)值。通常的膜層厚度在40～60 μm之間,最大可以達(dá)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(gè)重要因素。從實(shí)際情況可以推斷,日積月累的使用導(dǎo)致磨損突破氧化層厚度以后,如果各項(xiàng)間隙再控制不當(dāng)?shù)脑?活塞的磨損是非常迅速的。一般PTFE材質(zhì)的支撐環(huán)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(chēng)電木粉,其機(jī)械強(qiáng)度高、堅(jiān)韌耐磨、尺度穩(wěn)定、耐腐蝕、電絕緣性能優(yōu)異。表2是各種活塞材料同PTFE配磨的相對(duì)磨損量。由表2可見(jiàn),鑄鋁合金的相對(duì)磨損量是相當(dāng)大的,這也是活塞在后期磨損愈發(fā)嚴(yán)重的原因【5】。此外,表面粗糙度對(duì)零件表面磨損的影響也很大,一般來(lái)說(shuō),表面粗糙度值越小,有效接觸面積就越大,接觸點(diǎn)處的壓強(qiáng)越小,其耐磨性越好;但表面粗糙度值太小,因接觸面容易發(fā)生分子粘結(jié),且潤(rùn)滑油不易儲(chǔ)存,反而會(huì)使磨損加劇。因此,就磨損而言,存在一個(gè)最優(yōu)表面粗糙度值。

表2 與PTFE配磨的材料相對(duì)磨損量

3.2 介質(zhì)的腐蝕作用和產(chǎn)生的結(jié)晶物

火炬壓縮機(jī)介質(zhì)氣組分非常復(fù)雜,其中含有硫化物的成分,這就對(duì)活塞的耐腐蝕性提出了要求。從磨損量以及陽(yáng)極硬化層的厚度上分析,機(jī)組活塞在磨損到達(dá)一定程度后,難免會(huì)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(jī)檢修中都發(fā)現(xiàn),氣缸內(nèi)壁附有結(jié)晶物。這種結(jié)晶物為銨鹽,是介質(zhì)中的氨氣同硫化氫、氯化氫等組分反應(yīng)形成的硫化氫銨、氯化銨、碳酸氫銨一類(lèi)的結(jié)晶物。氣缸壁上的銨鹽如圖6所示。結(jié)晶物附著在活塞組件相對(duì)摩擦部位之間,使得活塞及活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損更加明顯【6】。

圖6 氣缸壁上的銨鹽

3.3 活塞運(yùn)動(dòng)

活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向變化后的瞬間,因?yàn)橹苇h(huán)的慣性,環(huán)槽側(cè)部和支撐環(huán)側(cè)會(huì)發(fā)生沖撞。撞擊使得環(huán)槽側(cè)部外圈受力最大,而且還因?yàn)樯喜恐苇h(huán)松曠,會(huì)在撞擊后發(fā)生震顫并逐漸貼緊環(huán)槽側(cè)部。同時(shí)隨著缸套內(nèi)徑的變化,支撐環(huán)不受支承力的大部會(huì)在沿圓周迅速向開(kāi)口變小(或變大)的方向滑動(dòng),促使徑向變小(大)適應(yīng)缸套變化,這也會(huì)對(duì)槽側(cè)面產(chǎn)生摩擦?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)方向變化瞬間如圖7所示。

圖7 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向變化瞬間

4 活塞磨損的改進(jìn)措施

活塞磨損的改進(jìn)措施有以下幾個(gè)方面:

1) 舊活塞磨損主要問(wèn)題在于支撐環(huán)槽的磨損,所以可以考慮進(jìn)行修復(fù)。其中一種方法為鑲環(huán)法。鑲環(huán)為兩個(gè)半環(huán),其材質(zhì)和活塞體相同,表面進(jìn)行硬化處理。支撐環(huán)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(huán)安裝較為困難,操作不當(dāng)容易造成支撐環(huán)損壞或活塞表面損傷。以往安裝采用人工擴(kuò)張法,即使用軟質(zhì)帶拴住支撐環(huán)開(kāi)口處,兩名工人用力外拉,將支撐環(huán)開(kāi)口處端面拉開(kāi),使支撐環(huán)內(nèi)徑大于活塞外徑,以便能夠?qū)⒅苇h(huán)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(dòng)到活塞卡槽內(nèi)。鑲環(huán)法則是采用自主研制的特制安裝工具將支撐環(huán)通過(guò)均勻擴(kuò)展的方式嵌入安裝,高效便捷。支撐環(huán)槽的修復(fù)如圖8所示。此外,還可以車(chē)修環(huán)槽側(cè)部,進(jìn)行硬化處理后,訂購(gòu)加寬的導(dǎo)向環(huán)。當(dāng)然如果活塞槽底磨損量過(guò)大,就只能更換了。

圖8 支撐環(huán)槽的修復(fù)

2) 對(duì)于現(xiàn)有機(jī)組,在進(jìn)行鑄鋁活塞備件儲(chǔ)備時(shí),應(yīng)明確活塞表面氧化處理層的厚度、硬度,盡可能提高這兩個(gè)指標(biāo)。

3) 從檢修結(jié)果看,火炬各機(jī)組的缸套都發(fā)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(dòng),導(dǎo)致填料過(guò)快地磨損失效,而且對(duì)活塞組件的磨損也影響較大,必須引起注意。當(dāng)缸套圓柱度超標(biāo)時(shí),必須更換。

4) 從前述的測(cè)量數(shù)據(jù)中分析,活塞導(dǎo)向環(huán)槽上方磨損超限時(shí),下方還應(yīng)在間隙要求范圍內(nèi)。所以當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí),可以及時(shí)拆卸活塞和桿的連接,調(diào)整當(dāng)前活塞和桿相對(duì)位置。因?yàn)榛钊c桿位鍵連接,因此可將原來(lái)環(huán)槽軸向間隙大的上方轉(zhuǎn)180°,轉(zhuǎn)至下方作為新的支承部位,達(dá)到使之均勻磨損、提高活塞使用年限的目的。

5) 對(duì)于存在銷(xiāo)孔的活塞,由于安裝時(shí)活塞銷(xiāo)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(xiāo)偏距,所以特定的活塞設(shè)計(jì)都有固定的安裝方向,一般情況下不允許調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某石化公司火炬壓縮機(jī)活塞頻繁磨損的問(wèn)題進(jìn)行研究,從活塞材料、工作介質(zhì)、活塞運(yùn)動(dòng)受力等方面分析并找到產(chǎn)生磨損的原因,提出了幾點(diǎn)有效措施用于改善活塞磨損的狀況。通過(guò)一年多的實(shí)踐發(fā)現(xiàn),采取上述措施后,活塞磨損大大減輕,應(yīng)用效果顯著。上述措施可為同行處理類(lèi)似壓縮機(jī)活塞磨損問(wèn)題提供一定的借鑒。