邵小光 薛 军
温州瑞德气阀有限公司 江苏华昌化工股份有限公司
摘 要：通过对沈阳6M50压缩机一级活塞组件的改进，提高了该活塞组件的运行安全性，并节省了检修费用，保证了压缩机的稳定运行，取得了良好的经济效益。
1. 前言
江苏华昌化工股份有限公司于2006年底全部完成整体搬迁，其合成氨装置分别于2005年6月底及2006年11月底投产，核心运转设备有9台6M50氮氢压缩机，单机年产合成氨4万吨。其中的五台，采用了沈阳气体压缩机有限公司生产的6M50氮氢压缩机。
2. 存在问题
该机从试车投入生产，经过多年的运行，一级活塞组件暴露出了一些问题。通过与温州瑞德气阀有限公司的合作，对活塞组件局部结构、支承环及活塞环进行了改进，并经过一年多的运行，消除了以往的存在问题，运行安全、稳定，改造比较成功。原一级活塞组件运行至今，共出现了以下几个问题：
2.1活塞体碎裂 正常运行过程中，该活塞体突然出现碎裂。
2.2活塞杆断裂 该断裂情况出现在活塞杆与活塞体接触的台阶背侧，断口非常整齐。经仔细检查断面，未发现存在裂纹的隐性伤痕。
2.3活塞环异常磨损 该活塞环结构为：用铸铁制作成基础环，在其外周镶嵌浇注有巴氏合金的减摩层，该减摩层又起到密封作用,其发生异常磨损及巴氏合金局部脱落后，导致密封性变差，引起压缩机打气量不足。
2.4活塞体支承环作用欠缺 该活塞组件支承环仅为120°，气缸内壁镜面对其的支承作用较小，压缩机运转过程中，部分机器的一级气缸体振动偏大。
3. 原因分析 针对该机一级活塞组件在运行中出现的问题，并结合生产实际分析，主要有以下几方面的原因：
3.1活塞体碎裂问题，分析主要原因是：该压缩机采用钢制环状气阀，气阀运行一段时间后，阀片出现断裂而掉入气缸，该活塞体受到断裂阀片的大量镶嵌后，活塞体的强度大为降低，运行一段时间后，出现活塞体碎裂。另外，由于一级活塞组件使用久后，铝质活塞体芯部受交变载荷而发生塑性变形，活塞杆与活塞体预紧力下降，活塞体芯部产生间隙，活塞体受到额外的冲击载荷而发生破裂。
3.2活塞杆断裂问题，从活塞杆断裂面状况分析，该活塞组件在高速运转中曾受到横向力的作用。根据活塞杆断裂时的其他情况：支承活塞体用的支承环磨损均较大，从支承环槽中脱出。由于活塞体与气缸之间的间隙较小，受到该支承环的局部卡阻后，产生附加弯矩，从而导致活塞杆在上述部位断裂。另外，该120°支承环仅靠其两端的定位块限定周向位置，而定位块又用2个M6的螺钉固定，在压缩机运行一段时间后，该定位块经常出现脱落状况，导致支承环磨损后，比较容易从支承环槽中脱出。
3.3活塞环异常磨损问题，主要原因是：
3.3.1一级进气中污物较多，该污物主要是：半水煤气中夹带的硫磺、焦油及水分等，影响到该压缩机一级气缸的润滑效果，导致活塞环使用早期就出现异常磨损。
3.3.2一级气缸的注油管垫片是铝质，而气缸循环冷却水对其腐蚀后，导致发生泄漏，由于一级气缸运行的特殊性，其一级排气压力与气缸循环冷却水水压相当，加之活塞运动吸气时，缸内压力就远低于循环冷却水水压，故导致大量的循环冷却水进入到气缸内，加剧了气缸润滑状况的破坏。从而导致一级活塞环周边的巴氏合金减摩层快速磨损、密封失效，严重影响到压缩机的一级打气量。
3.4活塞体支承环作用欠缺问题，该问题早就存在，原设计的活塞体上的支承环槽较浅，仅为5mm，而支承环的厚度也仅为10mm，故活塞组件新安装后，环槽对支承环的限定作用有限，一旦支承环受到润滑状况变差、异常快速磨损后，就极易从环槽中脱出而卡阻在活塞体与气缸壁之间，从而产生附加弯矩，最终导致活塞杆承受拉力及附加弯矩的双重作用后，造成断裂。再者，支承环槽由于较浅，使用一段时间后，其直角容易磨损成圆角，甚至直角台阶被磨平，更加增大了支承环脱出环槽的可能性。
4. 采取措施 针对该一级活塞组件存在的上述问题，分别采取了如下措施：
4.1针对钢制环状阀片易断而镶嵌入活塞体的问题，采用了温州瑞德气阀有限公司产的PEEK阀片的气阀代替原有的钢制环状阀片气阀。一方面，大大延长了气阀的使用寿命；另一方面，即使有断裂的阀片掉入气缸内，受到活塞体撞击后，阀片只会粉碎而不会镶嵌入到活塞体内，消除了阀片对活塞体的强度削弱作用。另外，对新制作活塞体，适当增大了芯部直径及内部加强筋板的厚度，一定程度上也提高了该一级活塞体的强度。
4.2增加活塞体支承环槽的深度，并相应增加支承环的厚度，使其两者之间的配合尺寸达到10mm，同时，将支承环由120°增加到360°，仅留其热涨间隙。这样，即使支承环发生磨损后，也难以从支承环槽中脱出。同时，气缸镜面也达到了对活塞体往复运动的支承和导向作用，一定程度上也减轻了气缸体的振动。
4.3对其铸铁表面镶嵌巴氏合金的活塞环也进行了材料更换。原先设想更换成聚醚醚酮（PEEK）树脂材料，虽然该材料已经在该类型压缩机的五级和六七级上成功使用，但该材料毕竟比较昂贵，对于尺寸较大的活塞环、支承环，改造费用就会大幅增加。后来，经商讨决定，采用聚醚砜树脂（PES）材料制作活塞环和支承环。该材料的性能优于目前普遍采用的聚四氟乙烯，而制造成本又大大低于聚醚醚酮（PEEK）树脂材料。
聚醚砜树脂（PES）是英国ICI公司在1972年开发的一种综合性能优异的热塑性高分子材料，是目前得到应用的为数不多的特种工程塑料之一。它具有优良的耐热性能、物理机械性能、绝缘性能等，特别是具有可以在高温下连续使用和在温度急剧变化的环境中仍能保持性能稳定等突出优点，在许多领域已经得到广泛应用。聚醚砜树脂（PES）主要性能如下：
a、耐热性：热变形温度在200～220℃，连续使用温度为180～200℃。
b、耐水解性：可耐150～160℃热水或蒸汽，在高温下也不受酸、碱的侵蚀。
c、抗蠕变性：在180℃以下的温度范围内其抗蠕变性是热塑性树脂当中最优异的一种，特别是玻璃纤维增强PES树脂比某些热固性树脂还好。
d、尺寸稳定性：线膨胀系数小，而且其温度信赖性也小是其特点。特别是30%玻璃纤维增强PES树脂，其线膨胀系数只有2.3×10-5 ℃-1，并且直到200℃仍然可以保持与铝相近似的值。
e、耐冲击性：具有与聚碳酸酯相同的耐冲击性。
f、耐化学药品性：PES耐汽油、机油、润滑油等油类，它的耐溶剂开裂性是非晶树脂中最好的。
PES树脂具有上述良好的物理、化学性能，结合该一级气缸实际运行的相关压力、温度状况，该PES树脂符合制作该一级支承环与活塞环的条件。
4.4另外，严格压缩机的运行管理，提高其一级进气半水煤气的净化程度，加强压缩机易损件的定期检查与检修，也是保证压缩机安全稳定运行的重要措施。
5. 使用效果 由温州瑞德气阀有限公司按照我方压缩机运行的相关技术参数及要求，自行设计了PES活塞环与PES支承环，改进制作的该一级活塞体组件于2010.7.28更换上使用至今，经对其实际使用情况的监测，该级的气体排出压力、温度均符合设计的工艺指标，使用效果良好。
6. 经济效益分析
6.1检修费用：每次发生事故，不仅会造成活塞组件的损坏、活塞杆及该级连杆螺栓的更换，总计费用在18万元以上。加上检修人工费用等，每次事故均会造成巨大的经济损失。
6.2检修影响的间接费用：每次一级活塞组件的更换时间至少约需10小时，按该机单台合成氨生产能力40ktNH3/a，即：5tNH3/h，每次检修就会影响合成氨50吨以上。其中，还不包括额外开停车所造成的电耗、气耗。另外，事故造成的压缩机其他零件的隐形损伤则无法估计。
7. 总结
通过对该沈阳6M50压缩机一级活塞组件的改造，提高了该压缩机一级活塞组件的运行安全性，节省了大量的维修费用，减少了突发停车检修对合成氨生产的影响，保证了压缩机的稳定运行，取得了良好的经济效益。
