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用于可靠的往复压缩机中的高性能活塞

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-12-01  浏览次数:113
核心提示:工艺气体环境中,多达三分之一的往复压缩机问题是由于气体通过活塞环和支承环逸出引起的,导致高温、产能损失和故障。这个全新的
 工艺气体环境中,多达三分之一的往复压缩机问题是由于气体通过活塞环和支承环逸出引起的,导致高温、产能损失和故障。这个全新的数字建模帮助工程师优化气缸垫的类型和布局,从而提高活塞密封环的服务寿命。与传统的经验方法相比,模拟环境中的全新方法提高了新机器和改造机器的性能和可靠性。

 

在典型的双作用压缩机中,活塞环用来保持每个气缸两端之间的密封状态,而支承环则用于支承活塞的重量。


 

对于近期运行的压缩机而言,检查气体是否通过气缸垫逸出十分重要,也就是俗称的滑移或漏气。然而,随着时间的推移,气缸垫的磨损会导致严重的气体泄漏,尤其是在气缸内径小于250毫米、应用于高压以及无润滑压缩机的情况下。

 

我们已知,气缸垫的漏气与活塞的配置直接相关。根据不同应用,高泄漏可能会带来无法承受的排放温度和显著减少的容积。活塞设计不佳还会导致支承环过早磨损,以及气缸垫的迅速磨损或完全失效。

 

严重的活塞漏气现象极为普遍,这也意味着用于确定气缸垫类型、数量和位置的传统经验方法存在问题。我们需要一种更为严谨的工程方法,将气缸垫和支承环的服务寿命以及压缩机的性能考虑在内。

 

为什么会发生泄漏

 

活塞环的端部空隙由于径向磨损而打开时,就会导致泄漏。

 

活塞环安装在活塞的凹槽中,保证活塞与气缸壁之间的良好密封,同时也可滑动。根据不同应用,每个活塞一般需要两到八个活塞环,通常是由PTFE或PEEK制成。在正常运行中,活塞环的表面由于与气缸套进行摩擦而磨损。为了适应磨损情况并且便于更换,活塞环的圆周上有一个切口。

 

全新活塞环的末端切口非常小。问题在于,磨损的活塞环为了保持与气缸壁的接触而不断扩大,这个切口就会扩大。活塞环材料不断地经由运行表面因磨损而掉落,泄漏口也逐渐扩大。

无润滑压缩机出现问题的风险更大,因为润滑油有助于密封切口,也有助于减少活塞环的磨损。活塞的高速运动和不断升高的运行压力也会加快磨损。

 

活塞泄漏对内径为250毫米及以下的气缸造成的影响最大。因为,磨损到一定程度后,泄漏率与气缸内径的联系是相对独立的,也就是说对于小气缸而言,这在吞吐量中所占的比例更大。

 

大部分活塞环只有简单的直切口或斜切口。增加压力平衡槽(图中最右)则能够通过减少活塞环与气缸套之间的平均接触压力来减少磨损。还有其他更复杂的设计也能减少泄漏,例如单作用的L形环,但由于其横截面狭窄,容易造成断裂和不均匀磨损,因此没有被广泛使用。


 

有切口的支承环(图中:左二)容易与气体发生反应,这也就意味着支承环上的压力差会增加对气缸垫的摩擦压力,导致严重磨损。无切口的收缩式支承环(图中:最左)不容易与气体发生反应,但更难安装。降低支承环反应风险还有一个办法,就是在支承环上加入卸压槽,消除压力差(图中:右一和右二)。


 

活塞泄漏的严重后果

 

气缸泄漏会引起的问题主要包括排放温度高、容积损失和可靠性差。

 

气体通过活塞环的缝隙泄漏会导致排放温度高。排放状态下的热气与吸气状态下的新鲜气体混合,升高了气体的整体温度。然后,气体再被压缩——加热——再次逸出,最终导致排放温度升高。

 

过高的运行温度会使润滑油变质,削弱阀板并增加磨损。因此,API 618规定氢气的每级排放温度不得超过135℃,其他气体不得超过149℃。

 

API压缩机被设计为在低于报警温度22°C的条件下才能运行。泄漏可能导致使排放温度上升至33°C,这将造成意外停机的巨大风险。吸气压力超过300psig(21bar[g]),压缩比超过2.5,更容易导致高温。

 

其他压缩机则更多是受制于容积而不是排放温度。由于活塞泄漏而造成的容积损失可达20%,这一数值在大多数情况下都是不可接受的。

 

活塞泄漏可能导致的第三个问题是气缸垫缺乏可靠性。气缸垫的服务寿命通常在两到五年,但磨损、挤压和破损将会缩短预期的运行时间。无论压缩机大小,在整个压力范围内都可能出现气缸垫过早失效的情况。支承环的服务寿命也会受到漏气的负面影响,致使活塞下落和压缩机停机。

 

建立一个更好的范例

 

目前,设计师依靠经验方法来确定活塞环和支承环的类型、数量和布局。贺尔碧格的经验表明,这些经验方法并不适合所有情况,至少对于小内径、高压或无润滑这类更为关键的情况而言,目前的活塞设计方法并不能带来最佳性能和可靠性。因此,我们着手建立一个气缸垫泄漏的数字建模。

 

该模型模拟了流过每个活塞环和支承环的流量,得出随时间变化的磨损度函数。现在,我们可以用不同参数进行模拟运行,确定可能的活塞最佳配置。经过与现场测试作比较,已经证明模拟结果是正确的。最终结果是一个易于用作常规设计的模型,其预测气缸泄漏的准确性足以在确定环形结构时产生极大影响。

 

结论

 

经过对数百台往复压缩机进行现场分析,结果表明,多达30%的工艺气体压缩机由于气缸垫泄漏而存在气体排放温度过高、严重损失容积或机械故障的风险。其中,尤其容易受影响的是:

 

  • 无润滑机器

  • 吸入压力超过300psig(21bar[g])

  • 由于颗粒和碎片等污染造成的高磨损情况

 

新的活塞性能建模技术简单易操作,产生的结果与现场测量结果吻合,准确性高。在日常工程工作中,这种技术非常容易被采纳,在已知会引发问题的应用中已经可以取代传统的经验方法。

 

在活塞模型中,设计师能够选择活塞环和支承环的数量、类型和布局方式,在既定的服务寿命中达到最佳性能。这种设计方法在关键应用中发挥作用,带来的结果是:

 

  • 显著降低排放温度

  • 增加单位容积和

  • 显著延长气缸垫的服务寿命

来源:贺尔碧格(上海)有限公司


 
 
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