庹林峰
北方民族大學化學與化工學院
摘要：氫氣壓縮機在石油化工汽油加氫精制、煤化工甲醇合成氣輸送等工藝中佔有重要地位，一旦氫氣壓縮機出現故障，會導致裝置停車甚至氣體洩漏、著火、爆炸等事故，造成重大經濟損失。本文將輸送介質為氫氣的活塞式壓縮機作為研究對象，詳細分析壓縮機運行過程中經常出現的問題，並提出相應的維修建議，為化工企業安全負責人、設備操作人員提供借鑑。
在大型化工流程中，很多氣氣、氣液或氣固反應需要在高壓下進行，因此壓縮機應用十分廣泛，其中活塞式壓縮機是比較常用的壓縮機之一。活塞式壓縮機壓縮效率高、適應性強，可設計成低壓、中壓、高壓和超高壓（超過350MPa）。在等轉速下，當排氣壓力波動時，活塞式壓縮機的排氣量基本保持不變。但是活塞式壓縮機結構複雜、零部件繁多，操作或維護不當極易發生故障。
在化學工業中，為了促進以氫氣為原料的化學反應正常進行，通常將氫氣壓縮至高壓，這就需要用到以氫氣為主要輸送介質的活塞式壓縮機。如在合成氨工業中，氫氮混合氣的進氣壓力為0.03MPa，經過6～7級壓縮，最終排氣壓力達到31.4MPa；在煤化工合成氣制甲醇過程中，氫與二氧化碳混合氣進氣壓力2.5MPa，經過多級壓縮最終排氣壓力達到5～10MPa（低壓法）或35MPa（高壓法）。
1氫氣壓縮機的工作原理及分類
1.1工作原理
氫氣壓縮機結構較複雜，其結構簡圖見圖1。較重要的組件有鑄鐵氣缸、鑄鐵缸套、鑄鐵缸蓋、鑄鐵曲軸、連杆、十字頭（包括十字頭滑道）、填料、活塞（包括活塞環）、刮油環、不鏽鋼活塞連杆、不鏽鋼氣閥等，此外還有一些附屬設備，如氣體過濾器、緩衝器、潤滑油管路等。同其它往復式壓縮機一樣，氫氣壓縮機包括吸氣、壓縮和排氣3個過程。在電機驅動下，曲軸帶動十字頭、活塞連杆、活塞在氣缸內往返運動，氣體在活塞壓縮下最後通過氣閥排出。
圖1氫氣壓縮機結構簡圖
1.2分類
氫氣壓縮機按排氣量範圍和排氣壓力進行分類，具體類別如表1所示。
表1氫氣壓縮機分類
按照基礎地平面與氣缸中心線的相對位置，氫氣壓縮機還可分為臥式壓縮機（地平面與氣缸中心線方向平行，主要有對置式、單側式、對稱平衡式）、立式壓縮機（地平面與氣缸中心線方向垂直）和角度式壓縮機（地平面與氣缸中心線方向成一定角度）。立式壓縮機和氣缸在曲軸一側的臥式壓縮機適用小氣量工況。在臥式壓縮機中，對稱平衡式壓縮機應用非常廣泛，是大中型往復式壓縮機的最佳選擇對象之一。該壓縮機的多個氣缸平均分布在曲軸兩側，與氣缸中心線方向呈180°夾角。對置式壓縮機適用於壓縮高壓氣體的工況，而角度式壓縮機適用於中小型壓縮機，其中角度式壓縮機根據夾角又可分為W型（60°夾角）、L型（90°夾角）、扇型（40°夾角）等多種類型。
2氫氣壓縮機型號及字母含義
為了便於快速識別壓縮機結構特徵、容積流量、工作壓力等信息，氫氣壓縮機和其他常見化工動設備一樣，有規定的型號，而且各字母具有不同含義，氫氣壓縮機型號示意圖見圖2。
圖2氫氣壓縮機型號示意圖
圖2型號末端的「差異」主要是為了把壓縮機種類進行區分，一般儘量用字母、數字的組合表示。「壓力」是指吸氣在標準大氣壓下，經過壓縮機壓縮後公稱排氣壓力的表壓指示值。「公稱容積流量」是指按照標準吸氣位置所處的工況（壓力、溫度、氣體組分），把壓縮機排出氣體流量進行換算後得到的流量。氫氣壓縮機「結構」和「特徵」代表了壓縮機的結構和具體特徵，包含的各字母含義如表2和表3所示。
表2氫氣壓縮機結構字母及含義
表3氫氣壓縮機特徵字母及含義
3氫氣壓縮機常見故障
氫氣壓縮機組製造精度和維護要求較高，當氫氣壓縮機在電機驅動下運行時，曲軸快速旋轉並往復運動。曲軸、連杆的一端與十字頭部件相連接，十字頭部件也在曲軸連杆的作用下，在滑道內往復運動，最終帶動活塞往復運動，實現了氫氣（或含氫混合氣）的壓縮。然而，在曲軸、連杆、十字頭部件長期往復運動中，這些部件易發生磨損，一旦出現較嚴重磨損會影響其運行質量，需要及時發現並停機進行維修，以保障氫氣壓縮機的安全穩定運行。
3.1潤滑油系統故障及原因分析
氫氣壓縮機潤滑油系統最常見的問題就是潤滑油壓力低。當氫氣壓縮機正常運行時，潤滑油經過油泵加壓輸送到一級過濾器，依次通過外部潤滑油冷卻器、二級過濾器後，分為3路。第1路到壓縮機油壓表（包括遠傳儀表和現場儀表）；第2路到達大頭瓦小段襯套，為其提供潤滑；第3路達到補償泵，以防止油壓限制器漏油。
在潤滑油系統的正常維護過程中，應首先對各個油路系統進行外觀檢查，特別是管路靜密封點，一旦出現漏油、油漬，要對存在洩漏的油路管線進行緊固。當氫氣壓縮機正常運行時，潤滑油路系統的運行狀態始終為負壓，因此難以發現潤滑油壓力降低。為了準確判斷，在潤滑油管路各靜密封點需要詳細檢查，對可能洩漏的管路進行更換，以消除潛在風險。此外，潤滑油的品質需要嚴格檢查，含水量、金屬離子含量等都會加速潤滑油變質。如果潤滑油不凝氣含量超標，潤滑油壓力可能會出現波動。拆檢氫氣壓縮機潤滑油供油管路，並根據二級濾網腔和潤滑油冷卻器之間的空隙大小，可以判斷潤滑油管路凝氣情況，空隙大則表明凝氣較多。通常有2個原因易造成該管路凝氣：（1）潤滑油對壓縮機管路外界空氣具有一定溶解度，難以避免少量空氣溶入；（2）二段油壓限制器裝置回油，與少量未溶入的空氣混合形成空氣泡沫，該泡沫大量聚集時也會造成空隙變大。為解決該問題，應將回油管排出口儘量靠近潤滑油過濾器吸入口的遠端位置，避免空氣泡沫集中到管路中。
3.2氣閥、活門故障及其維修分析
通常氫氣壓縮機每運行3～6個月，就要切換備機，對壓縮機進行維護或檢修。其中對氣閥要重點檢查，因為氣閥的閥片容易積碳、堆積油泥或粉塵，氣閥彈簧容易斷裂。氣閥壓蓋頂部存在若干頂絲，檢修時應先把頂絲鬆開，置於乾淨的歸納盒或無塵布上，然後鬆開氣閥壓蓋頂部螺栓、螺母，保留對角方向的兩個螺栓、螺母不被拆下，直至氣缸沒有氣體逸出，再全部拆下。最後取下壓蓋及活門壓套，輕輕拉出活門，清理外表可能存在的油汙、油泥進行材質檢查。所有氣閥在安裝前都要用氮氣打壓試漏，確認不漏後才能進行安裝。活門故障分析及處理辦法詳見表4。
表4活門故障分析及處理辦法
3.3缸體
氣缸內壁的光滑和潤滑十分重要，活塞在氣缸內高速往復運動，當氫氣內含有粉塵、顆粒狀物時，氣缸內壁不斷出現擦傷、拉毛，嚴重時會造成氣缸報廢。當氣缸內壁擦傷或拉毛比較輕微時，可以使用半圓形的油石輕輕打磨至光滑，即可恢復使用。當氣缸內壁擦傷或拉毛較嚴重時，如拉傷長度大於氣缸圓周的1/4，並存在溝槽，且槽寬度大於3mm，深度大於0.4mm，則應進行鏜缸處理。鏜缸是缸體嚴重磨損時常用的處理辦法，鏜缸後缸體直徑會略有增大，但增大值不得超過原設計缸徑的2%，氣缸壁厚減少量不超過原壁厚的1/12。為了確保配合間隙接近原設計，鏜缸後應重新選擇與新缸徑相適應的活塞和活塞環。
3.4十字頭、連杆
十字頭一般使用優質碳鋼或合金鋼鍛造，有較強的強度和剛度，作用是將活塞杆下端通過十字頭銷與連杆小端軸承連接，以將活塞所受的動力傳遞給連杆、曲軸。連杆是將活塞的往復運動轉變成曲軸的迴轉運動。十字頭、十字頭銷、滑板及導軌統稱為十字頭組件，由於受壓較大，易發生裂紋。
更換十字頭的注意事項：（1）當中間接座已從中體上拆下，可將十字頭從連接法蘭口取出更換，若中間接座與中體聯成一體，十字頭更換可在中體測孔進行；（2）在窗口更換時，將十字頭移至窗口中間（即十字頭滑道中間），並將十字頭沿軸線旋轉90°使上下滑道正對兩側窗口，然後平行移出窗口，再進行修復和更換；（3）修復時，必須注意不得損壞滑道工作面，對準道口位置，配合間隙達到規定要求。
更換連杆大瓦注意事項：（1）利用盤車裝置將更換軸瓦的曲軸頸轉至最上位置並設法使之固定，避免滑動造成不必要的事故；（2）先卸下連杆下部的連杆螺栓，藉助吊環螺釘將連杆大頭蓋吊住，再卸下連杆上部的連杆螺栓，並通過吊環螺釘將大頭蓋和瓦一起拿下；（3）利用盤車裝置緩慢地轉動曲軸，使連杆與曲軸頸分離，取下連杆即可進行更換；（4）連杆大頭瓦成對製作的必須成對更換；（5）對連杆螺栓進行無損檢測；（6）目前連杆大瓦一般為標準薄壁瓦，無需進行刮研，連杆大瓦的間隙應嚴格符合設計要求。
更換連杆小瓦注意事項：（1）先卸下定位銷壓緊螺母，取下定位銷，用一圓棒從十字頭銷的一端將十字頭銷打出，使十字頭與連杆分開，然後將連杆從機身上蓋取出，此時即可進行連杆小頭瓦的更換，取連杆時注意保護好滑道；（2）更換時，用壓力將舊軸瓦從連杆小頭壓出，再將新的軸瓦壓入。
3.5曲軸
主軸頸、曲軸頸的圓錐度、橢圓度＜0.10mm；主軸水平度＜0.05mm/M（電機方向高）。每次檢修要對曲軸頸進行無損探傷。
更換主軸瓦注意事項：（1）卸下機身側蓋和兩端側蓋，並使曲軸和電機在連接處分開，再鬆開潤滑油管和主軸承上蓋，取出主軸承上瓦；（2）用千斤頂置於主軸承兩側曲軸下的適當位置（保持平衡位置），將曲軸頂起約0.1～0.2mm，以圓棒或其它合適的工具使主軸承下瓦從主軸承座轉出，按此方法同樣可將新的主軸承下瓦轉進主軸承座中，換下舊的主軸承下瓦；（3）將新的主軸承上瓦和主軸承上蓋裝入主軸承座並按要求緊固主軸承螺栓；（4）主軸瓦成對製作的必須成對更換；（5）大頭瓦與曲拐頸的配合間隙，厚壁瓦常用瓦口墊片來調整，薄壁瓦的間隙若小可適當刮研，若超大只能更換新瓦；（6）測量配合間隙時，徑向間隙常用壓鉛法，軸向間隙常用塞尺測量，也可採用測量瓦孔徑和軸徑尺寸相減得出徑向間隙，用軸徑長度和連杆瓦寬度尺寸相減得出軸向間隙；（7）徑向間隙為拐直徑的0.8‰～1.2‰；（8）設計值有要求的，主軸瓦間隙應嚴格按照壓縮機的設計數值執行。
4結語
在以氫氣為原料氣的化工生產過程中，氫氣壓縮機是化學反應的核心設備。因此，在運行中應該做好檢修計劃，定期檢查備機，按照正規氫氣壓縮機廠家要求切換備機後開展檢修工作。此外還要定期對潤滑油系統檢查，定期清理一二級潤滑油過濾網，緊固靜密封點。巡檢時，要用聽棒檢查壓縮機各段聲音是否正常，以判斷鑄鐵缸體、曲軸、連杆等是否正常工作。本文對氫氣壓縮機的工作原理、分類、常見故障進行了分析、總結，為化工行業操作人員提供了借鑑思路，促進了氫氣壓縮機的運行、管理、維護水平，保證化工裝置的運行穩定，可以減少氫氣壓縮機故障停車造成的損失，為企業創造最大經濟效益。