往复活塞式压缩机余隙活塞损坏原因分析与改进措施

王建鑫

（中国石油天然气股份有限公司吐哈油田公司鄯善采油管理区基建设备中心，新疆 吐鲁番 838202）

某油田采油管理区主要是集油气开采及天然气处理为主的油气生产单位，开采方式为衰竭性开采。随着天然气的不断开采，地层压力逐年下降。实施气田降压开采项目以来，往复活塞式压缩机便成为地面增压的关键设备，采油管理区接近2/3的天然气产量来自原料气压缩机增压。目前联合站及轻烃气处理装置运行的各类压缩机组接近百余台套，2015年因工艺需要又在联合站和轻烃气处理装置先后新增引进安装了4台往复活塞式原料气压缩机组，机组的型号分别为4CFB和CFC/2，作用是将低压原料气通过压缩机组逐级增压后输送到气处理装置进行工艺处理，脱除天然气中的部分重烃和水分。机组投运后在日常保养和三保过程中均发现这几台机组的一、二级活塞和活塞组件都有不同程度的异常磨损和损坏。期间在2016年3月30日19:04，1#轻烃气处理装置的7#原料气压缩机组的一级压缩4#缸排气温度高联锁停机，机组故障停机后经过设备技术维修人员的维修解体，发现机组的4#压缩缸余隙活塞损坏断成3块。此次设备损坏事件的发生，严重影响了设备的安全平稳运行。

1 往复活塞式压缩机组技术参数

7#原料气压缩机组采用发动机进口、其余国内配套生产；天然气发动机驱动，2级压缩，整体撬装结构；压缩机和天然气发动机置于一个撬座上，通过弹性联轴器连接；空冷器总成置于另一个撬座上；天然气发动机采用美国卡特彼勒公司的G3608型天然气发动机，额定功率1767kW，工作转速1000rpm，4冲程，直列8缸，涡轮增压，中冷；压缩机采用关键件进口配套生产的4CFB天然气压缩机，4列4缸；最大机身功率1150kW，最高转速1200rpm，4CFB系列压缩机为卧式对置平衡式分布型往复活塞式压缩机，二级压缩，处理量30万方/天，中体及压缩缸全部水平装于机身两侧，往复惯性力和力矩可以完全平衡，平衡性好，振动小，运转平稳。一级压缩采用2只φ560mm双作用压缩缸，二级压缩采用2只φ345mm双作用压缩缸；采用上进下出的进排气方式。一、二级压缩缸配置有可调余隙装置，用于对机组运行工况进行调节；排气量采用无级调节余隙容积和调整发动机转速的方法调节，满足单机排气量的要求。机组冷却系统为闭式循环系统，冷却采用组合式空冷器冷却，用于冷却工艺气、发动机夹套、发动机中冷器、发动机润滑油、压缩机润滑油。立式翅片管束，空冷器由单独防爆电机驱动机组按美国API-11P和API-618标准和规范，配置相应的通讯接口，具备数据远传的条件,压缩机、发动机配置油水外循环加热器和补充油箱，适应低温工作环境，可实现润滑油自动补油；工艺气的进气和排气，燃料气和启动气的进气，压缩机、洗涤罐、安全阀的排污或放空。机组的启动方式为马达启动，启动气压力为：0.621～1.0MPaG。机组主要组成部分：a、主机（发动机-压缩机）；b、润滑系统；c、冷却系统；原料气压缩机组工艺流程：工艺气进气→一级进气分离器→一级进气缓冲罐→一级560mm压缩缸→一级排气缓冲罐→一级冷却器→二级进气分离器→二级进气缓冲罐→二级345mm压缩缸→二级排气缓冲罐→二级冷却器→经排气管排出到用户≤50℃。压缩机主机平面布置示意图如图1，其技术参数见表1～3。

表1 原料气压缩机技术参数

表3 原料气压缩机组外形尺寸及重量

图1 G3608/4CFB天然气发动机-压缩机主机平面布置示意图

2 往复活塞式压缩机余隙活塞损坏及活塞磨损的原因分析

针对7#原料气压缩机组出现的一级压缩4#缸排气温度高联锁停机这一现象分析：正常各工况点各级排气温度为120℃左右，最高排气温度高报值为140℃，符合API618标准“排气温度应不超过150℃”的规定。超过这个温度，从保护设备的角度出发，控制上设置了机组联锁停机高高报。从当日的工艺操作分析设备不存在超温和超压运行，因此排除该压缩缸温度高联锁停机的工艺勿操作因素。最后，安排设备维修人员打开该缸的缸盖解体检查活塞及活塞组件，检查中发现了一级压缩4#气缸余隙活塞断裂成3块、活塞及活塞组件支撑环和活塞环严重磨损存在直接撞缸的事故现象，因此，该机组压缩端4#气缸排温高联锁停机的真正原因得以确定。

2.1 活塞及活塞杆组件结构

损坏的一级4#气缸活塞为中碳合金钢锻造精密加工而成，摩擦段表面氮化处理，具有很高的耐磨性能，两端螺纹滚压成形，疲劳强度高。活塞杆台肩与垫圈、垫圈与活塞、活塞与活塞螺母涂色检验并研磨贴合，螺母拧紧后弯曲应力小。

在任何操作工况下，最大活塞杆负荷小于最大允许活塞杆负荷的80%，具有足够的强度和刚度，且力求重量轻，以减少往复惯性力。活塞直径φ560mm，为两个半体结构，通过活塞杆φ78mm连接，外加6根φ12mm活塞连接螺栓加强。活塞两个半体由定位销定位。活塞半体内部各有6条加强筋，活塞外部填充聚四氟乙烯活塞环3副和2副支撑环。活塞及活塞杆组件结构示意图如图2。

图2 活塞及活塞杆组件结构示意图

2.2 余隙活塞杆组件结构

损坏的一级余隙活塞直径φ457.20mm，为铸铁材质，内部有6条加强筋，余隙活塞杆与余隙活塞通过螺纹连接，扭矩2700∽3000N·m，拧紧后劈去露出余隙活塞端面的余隙活塞杆部分，在螺纹骑缝处钻孔攻丝配骑缝螺钉，骑缝螺钉涂乐泰271螺纹锁固胶，并在骑缝螺钉处冲眼。余隙活塞结构示意图如图3。

图3 余隙活塞结构示意图

2.3 余隙活塞现场损坏情况

余隙活塞组件的损坏情况是余隙活塞与活塞整体断开，余隙活塞杆螺纹部分损伤，骑缝螺钉断离，余隙活塞沿中线向四周开裂如图4、图5所示。

图4 余隙活塞断裂现场图片

图5 余隙活塞杆组件结构示意图

2.4 事件发生过程分析

通过调取余隙活塞损坏事件发生时状态曲线，事件整个过程大概持续约3分钟，在仔细比对现场损坏情况后，事件发生过程和原因分析如下。

过程：余隙活塞在交变气体力载荷和振动的作用下，在余隙活塞的薄弱环节出现开裂。

余隙活塞主要承受气体力交变载荷，加上往复式压缩机的振动较其他类型的机组要大，在机组运行过程中，余隙活塞与余隙活塞杆上的骑缝螺钉出现松动，影响到余隙活塞杆与余隙活塞松动，在交变气体力载荷和振动的作用下，在余隙活塞的薄弱环节出现开裂。

2.5 事件的结论

余隙活塞和余隙活塞杆的螺纹扭矩连接设计不合理，容易出现余隙活塞松动的情况。余隙活塞采用的铸铁材质，从余隙活塞沿中线向两端发散开裂的现象看，可以判断余隙活塞的强度不够。

2.6 改进措施

（1）新余隙活塞结构的改进如图6、图7。

图6 新余隙活塞杆组件结构示意图

图7 旧余隙活塞杆组件结构示意图

（2）采用整体设计，取消余隙活塞杆与余隙活塞间螺纹连接。

（3）余隙活塞整体采用42CrMo锻造，替换之前铸造活塞，提高强度。

（4）活塞圆盘与活塞杆之间锥形过渡，提高刚度。

余隙活塞主要承受气体力交变载荷，采用类比设计，确保钢制活塞端面厚度与铸件活塞厚度相当，满足设计要求。

3 结语

通过对4CFB型往复活塞式压缩机的活塞及余隙活塞的升级改进，机组在后期的运行中安全可靠性大大提高，压缩机组经过7000小时的运行，我们及时安排维修人员对该型号压缩机的余隙活塞和气缸活塞解体，检查余隙活塞、活塞及活塞组件的磨损状况，通过现场测量和对比没有发现改进后的余隙活塞和活塞及组件有异常磨损和损坏，彻底消除了这两个型号的往复活塞式压缩机的活塞及组件磨损和余隙活塞损坏造成的设备事故风险。同时此项升级也应用到了其他三台机组上。提高了压缩机的组运行可靠性和安全性，保障了油气生产和轻烃气处理装置的平稳运行。