进口双螺杆氨制冷压缩机主机的国产化改造

　　【中国制冷网】1、背景介绍

　　中石化集团北京燕山石化公司炼油三厂配置了三套烟台冰轮生产的氨制冷双螺杆压缩机系统，其主机为日本前川N400SD-MB型产品。三台压缩机于2009年9月正式启用，运行状态一直比较稳定。至2013年5月，三台压缩机均超过其设计的例行维保周期（30000小时）。此时，有一台压缩机的机械密封有微小渗油，其他指标均表现正常。为了节约成本并探索该系统稳定运行潜力，我厂决定购买一台原厂主机作为备份，对主机之外的其他系统采取维护更新，以提高整机运行效率。

　　到了2013年10月（三台压缩机中运行时间最长的已达3.7万小时），3#氨制冷双螺杆压缩机的主机突然停机，更换主机后加力盘车检查，发现主机已彻底抱死。鉴于此，我厂决定立即对故障主机进行抢修，并对其他两台主机逐台进行周期维保。

　　2、压缩机主机简介

　　2.1 压缩机主机参数

　

　　2.2 主机构成

　　图1为氨制冷双螺杆压缩机系统主机部分外形。图2、图3为主机实物测绘剖面图。

　

　　主机部分主要包括机械密封（1）阴螺杆止推轴承（2）阳螺杆止推轴承（3）前端支撑轴承（4）前轴承支撑架（5）阴螺杆（6）阳螺杆（7）螺杆支撑架（8）后端支撑轴承（9）后轴承支撑架（10）辅助止推系统（新设计增加部分）（11）后端盖（12）能量调节系统（13）等。

　　2.3 主机设计特点

　　该主机最显著的设计特点表现为：两螺杆采用了“双向止推技术”，即采用双向滑块轴承在轴向对前后两个方向进行止推，有效地稳固了螺杆的动态定位。事实上，在阳螺杆的后端明显留有安装平衡活塞的位置，但实物上并没有安装平衡活塞。

　　3、故障机零部件损坏情况

　　3.1 阳螺杆磨损

　　由于止推轴承失效，阳螺杆在压力介质作用下，向压缩机排气端方向偏移，与排气端盖产生接触性摩擦，导致阳螺杆磨损。拆开三台同类型主机后发现，三台的阳螺杆均有不同程度磨损，最严重的一台磨损量达5mm，磨损相对较轻的一台磨损量也有1.2mm。磨损严重的螺杆，其外侧边沿呈现发散状裂纹，磨损较轻的螺杆，则未发现裂纹。

　　3.2 排气端盖磨损

　　由于止推轴承失效，阳螺杆向压缩机排气端方向偏移而与排气端盖产生摩擦，导致排气端盖磨损。三台同类型主机，其端盖均发生不同程度磨损，最严重的一台磨损量达2.7mm，磨损最轻的也有0.6mm。严重磨损的端盖自内边沿到外边沿，呈现出37条贯通性发散状裂纹，磨损较轻的则未出现裂纹。端盖严重磨损情形如图4所示。

　
　　3.3 止推轴承磨损

　　止推轴承也称推力轴承，是用来专门承受轴向力的专用轴承，通过力的传递，最终将轴上的轴向力传递到箱体壁上。止推轴承是压缩机主机稳定运行的核心部件，该部件的设计例检/更换时间为3万小时。在维护的这三台主机的止推轴承运行时间均超过3万小时，其中运行时间最长者达3.7万小时。拆解三台止推双向滑块轴承，对其磨损情况进行了检查。测量磨损两分别为：滑块磨损2.4～4mm，止推盘磨损1.7～3.6mm。

　　3.4 其他部件损坏状况

　　3.4.1 机械密封

　　机械密封是一种旋转机械的轴封装置，是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下，以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。它是压缩机系统的关键部件之一。

　　经拆解检查发现，三台压缩机的机械密封均发生不同程度的损坏，最严重的一台碳化硅推环破裂碎片，另外两台产生渗漏，均达到报废程度。

　　3.4.2 支撑轴瓦

　　支撑轴瓦在轴与座孔之间起到支撑载荷和传递运动的作用。它具有高的疲劳强度、良好的摩擦相溶性、良好的顺应性和耐蚀性。支承轴瓦与轴承之间油膜的刚度和阻尼大小直接影响着止推轴承的稳定性。

　　本例设备的支撑轴瓦已连续使用30000小时以上，由于种种原因，发生不同程度的损伤。在对三台设备所用的支撑轴瓦进行检查时发现，每块轴瓦表面均出现密集的划痕，划深最大0.3mm，划痕宽度大于0.27mm，属严重损伤。

　　4、零部件修复与国产化

　　该机型主机为日本前川公司制造，国内没有生产厂商，如果更换原装零部件，不仅价格昂贵（主机中不含螺杆的整套零部件价格竟超过主机价格的15%）、采购周期漫长，而且采购条件苛刻、附加限制条款繁多，商务操作难度很大，无法满足实际生产的紧迫需要。

　　因此，自行修复损伤部件或自行设计加工代用件、恢复整机性能，就成了必然的选择。

　　4.1 损坏件修复方法

　　4.1.1 螺杆与进气端盖的修复

　　修复螺杆与进气端盖的工艺路线如下：

　　a.取样化验确定材质；

　　b.无损探伤确定裂纹部位需要剔除的尺寸；

　　c.剔除裂纹部位；

　　d.激光熔敷恢复损伤部位；

　　e.无损探伤检查熔敷质量；

　　f.去除应力；

　　g.按照未受损部位尺寸、型线设置加工参数，采用专用加工中心加工复原。

　　要强调的是，加工复原后的螺杆须经专用试验台检查两螺杆的啮合度与动平衡性能，调整修正，直至完全合格。

　　4.1.2 支撑轴瓦修复

　　修复支撑轴瓦的步骤如下：

　　a.取样化验确定材质；

　　b.测绘轴瓦；

　　c.剔除残留覆层；

　　d.激光熔敷恢复覆层；

　　e.根据常规惯例尺寸恢复；

　　f.按照测绘位置尺寸恢复润滑通道。

　　4.1.3 机械密封研制

　　研制机械密封的过程如下：

　　a.取样化验确定材质；

　　b.测绘原装机械密封；

　　c.使用与原机械密封相同的材料，按照国产同类型机械密封标准确定参数；

　　d.测绘设计图纸；

　　e.严格按照设计图纸、工艺文件和相关标准加工生产。

　　4.1.4 止推滑块轴承的研制

　　止推滑块轴承仿制的工艺路线为：

　　a.取样化验确定材质；

　　b.测绘原装轴承；

　　c.根据原装轴承尺寸位置限制和磨损件参考尺寸及国标GB/T23891.122009规定，设计仿制轴承图纸；

　　d.使用原装轴承相同材料，按照设计图纸及工艺文件加工生产。

　　4.2 辅助止推装置的设计

　　4.2.1 加装辅助止推装置的动因

　　从我厂实际使用情况来看，日本前川生产的N400SDMB型压缩机主机性能优异、稳定可靠，但其螺杆轴向承载保护仅靠止推轴承。事实上，终因止推轴承崩溃性损坏，导致了整机其他系统的损坏甚至损毁，造成严重后果。如果设计加装一套螺杆辅助止推装置，则可大大降低整机故障率，而且能大幅度延长整机的使用寿命。

　　一般地，进口设备零部件的国产化，对于国内任何一个单位来说，都是缺乏经验的。但在运行成本与生产需求的双重压力下，设备使用单位必须面对这一现实，进而解决这一现实而又紧迫的问题。对于我厂在修复的这三台压缩机来说，业已进入故障频发期，损坏零部件的国产化替代已是刻不容缓的任务。

　　国产化生产的零部件，能否达到或超越国外原厂产品的质量，只有经过实际运行考验才能得出结论。而设备使用单位不可能甘冒影响正常生产的风险，把设备变成国产化零部件的试验台。解决压缩机修复问题和保障压缩机运行可靠安全，需要创造性的思维和创造性的工作。给压缩机增加辅助止推装置，为关键零部件的国产化替代增加一道安全保障屏障，是一个即可行又务实的方案。

　　增加辅助止推装置，配合国产化的止推轴承，既降低了止推轴承的承载力，又保障了其他部件的运行安全。即使国产化的止推轴承质量略逊于原装轴承，其运行的稳定性也将大大高于原装止推轴承。对于日本前川N400SDMB机型主机来说，在进气端阳螺杆的外侧，正好留有合适的空间，为加装辅助止推装置提供了很大便利。

　　4.2.2 辅助止推装置

　　 各部件作用.

　　如图5所示，外轴承套安装在的阳螺杆靠近排气端盖一侧的轴孔内，以便安装定位角轴承外圈；内轴承套的内孔安装在阳螺杆靠近排气端盖一侧的轴上；角轴承系两个同向并行安装的重载高速角轴承，给阳螺杆提供一个克服排气推力的反向力；轴承压套安装在阳螺杆轴靠近排气端盖一侧的孔内，用以固定角轴承外圈和蝶形弹簧；轴承内压套固定在阳螺杆轴端，用以固定角轴承内圈；蝶形弹簧前端固定在轴承压套后端，其后端抵在蝶形弹簧固定套前端，给角轴承提供一个可变形移位的定量推力；注油孔则为角轴承提供散热润滑油。

　　工作原理

　　静态时，变形量为8mm、变形力为5吨的蝶形弹簧处在微变形状态，变形力约为0.5吨，此变形力通过角轴承→螺杆轴，传向止推滑块轴承的内滑块上。

　　压缩机运转时，排气压力的反推力由止推滑块轴承的外滑块承载。此时，止推滑块轴承的承载力相比较没有辅助止推装置的承载力减小0.5吨。如果润滑油的品质、压力、流量相同，滑块承载力大小直接影响了滑块使用寿命，滑块承载力越小，止推轴承的寿命越长。

　　随着压缩机运行时间增加，止推滑块轴承的滑块与止推盘必然磨损。在排气压力的反推力作用下，止推滑块轴承的滑推块与止推盘磨损量，就变成了阳螺杆向压缩机吸气口方向的位移量（亦即轴向窜动量）。该位移量通过角轴承内圈→滚珠→角轴承外圈→轴承压套，最终传至蝶形弹簧，使蝶形弹簧产生变形，蝶形弹簧变形会产生五吨以内的反作用力，以抵抗排气压力的反推力。在五吨之内，排气压力产生的反推力与蝶形弹簧变形产生的抵抗力相等。因此，止推滑块轴承的滑推块与止推盘磨损到一定程度后，只要排气压力生产的反推力小于五吨，止推滑块轴承的滑推块与止推盘之间就不产生压力，也就是说，止推滑块轴承的滑推块与止推盘间没有压力，其间又有油膜保护，不再产生磨损，这就大大延长了止推轴承的寿命。
　　每个重载高速角轴承的承载力为十吨，而蝶形弹簧发生变形时可产生五吨反作用力，意味着两个同向并列重载高速角轴承最高承载力为五吨，设计冗余量十分充裕，有极高的安全保障。

　　5、国产化维保的效果展示

　　5.1 进口主机零部件的国产化突破

　　在此之前，使用前川N400SDMB型制冷压缩机的用户，其维保所需零部件一直由原厂提供，供货周期三个月以上，供应价格奇高，给用户造成极大的困扰与烦恼。在本例三台压缩机维护和修复过程中，我们对主机关键零部件实现了国产化替代，这是国内大型高端压缩机技术上的一次突破，在全国所有使用该型压缩机的用户中，尚属首次。它不仅成功的解决了我厂生产急需，也为其他使用单位提供了可资借鉴与参考的经验。

　　5.2 实际运行效果

　　2014年1月11日，三台压缩机经部分零部件国产化替代和整机结构改造后投入使用，且加载100%。至2015年4月10日，稳定运行超过10000小时，相比较同期更换的进口新主机，其震动、噪声、排量等基本指标相当，而改造主机耗能平均低于同期进口新主机30kW/小时以上，由此推算，单台机组每年仅节能效益即达20万元。这一点出乎意料，令我们备受鼓舞。

　　5.3 成本效益

　　按照进口更换零部件及例行维保合同价格，国产化例行维保价格只有进口价格的48%，直接费用节约高达225万元。

　　5.4 时间效益

　　按照进口更换零部件及例行维保合同时间要求，需时100天，而国产化例行维保平均用时50天，缩短周期50%。特别是经过本次维保，我们积累了丰富的经验，形成了标准化实施方案，今后维保周期可望缩短至10天。

　　6、小结

　　日本前川N400SD-MB型压缩机目前在国内只有11家企业使用，此前的维保和更换备件均依赖进口，给企业造成了严重的经济负担。

　　本例中，我们通过对三台该型压缩机的维保、修复及国产化改造，掌握了该型压缩机的基本特点，积累了大型高端压缩机国产化改造的经验，也为企业创造了可观的经济效益。

　　■文/宝鸡市动力机械装备工程技术研究中心 刘安才
　　陕西关中压缩机制造有限公司 张建雄
　　中石化集团北京燕山石化公司炼油三厂 李万林  孟祥义