Fallos comunes y análisis deCompresores de hidrógeno
Abstracto:
Compresores de hidrógenoLos compresores de pistón desempeñan un papel crucial en procesos como el refinado de petróleo y el transporte de gas de síntesis de metanol en las industrias químicas del carbón. Si un compresor de hidrógeno funciona mal, puede provocar paradas de la planta o incluso fugas de gas, incendios y explosiones, lo que provoca importantes pérdidas económicas. Este documento se centra en los compresores de pistón utilizados para transportar gas hidrógeno, proporcionando un análisis detallado de los problemas operativos comunes y ofreciendo las correspondientes recomendaciones de mantenimiento. Estos conocimientos tienen como objetivo ayudar a los responsables de seguridad y a los operadores de equipos en las empresas químicas.
En los procesos químicos a gran escala, muchas reacciones gas-gas, gas-líquido o gas-sólido requieren condiciones de alta presión, lo que hace que los compresores se utilicen ampliamente. Entre ellos, los compresores de pistón son uno de los tipos más comunes. Los compresores de pistón ofrecen una alta eficiencia de compresión y una gran adaptabilidad, y pueden diseñarse para aplicaciones de presión baja, media, alta y ultraalta (más de 350 MPa). A velocidades de rotación constantes, el volumen de descarga de los compresores de pistón permanece relativamente estable a pesar de las fluctuaciones en la presión de descarga. Sin embargo, los compresores de pistón tienen estructuras complejas y numerosos componentes, lo que los hace propensos a fallas si no se operan o mantienen adecuadamente.
En la industria química, para garantizar la progresión normal de las reacciones químicas que utilizan hidrógeno como materia prima, el hidrógeno se comprime típicamente a altas presiones, lo que requiere el uso de compresores de pistón diseñados principalmente para el transporte de hidrógeno. Por ejemplo, en la industria de síntesis de amoníaco, la presión de entrada de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno es de 0,03 MPa, y después de 6-7 etapas de compresión, la presión de descarga final alcanza los 31,4 MPa. En el proceso de producción de gas de síntesis de metanol en las industrias químicas del carbón, la presión de entrada de la mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono es de 2,5 MPa, y después de múltiples etapas de compresión, la presión de descarga final alcanza los 5-10 MPa (método de baja presión) o los 35 MPa (método de alta presión).
1. Principio de funcionamiento y clasificación deCompresores de hidrógeno
1.1 Principio de funcionamiento
La estructura de un compresor de hidrógeno es relativamente compleja, y su diagrama esquemático se muestra en la Figura 1. Los componentes clave incluyen el cilindro de hierro fundido, la camisa del cilindro de hierro fundido, la culata del cilindro de hierro fundido, el cigüeñal de hierro fundido, la biela, la cruceta (incluida la corredera de la cruceta), la empaquetadura, el pistón (incluidos los anillos del pistón), los anillos rascadores de aceite, la biela del pistón de acero inoxidable y la válvula de gas de acero inoxidable. Además, hay algunos dispositivos auxiliares como filtros de gas, amortiguadores y tuberías de aceite lubricante.
Al igual que otros compresores alternativos, el compresor de hidrógeno implica tres procesos principales: admisión, compresión y escape. Impulsado por un motor eléctrico, el cigüeñal mueve la cruceta, la biela del pistón y el pistón hacia adelante y hacia atrás dentro del cilindro. El gas es comprimido por el pistón y finalmente expulsado a través de la válvula de gas.
Figura 1: Diagrama esquemático de la estructura del compresor de hidrógeno
1.2 Clasificación
Compresores de hidrógenoSe clasifican según el rango de volumen y presión de descarga. Las categorías específicas se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: Clasificación deCompresores de hidrógeno
Basándose en la posición relativa del plano base y la línea central del cilindro,Compresores de hidrógenoTambién se pueden dividir en compresores horizontales (el plano base es paralelo a la línea central del cilindro, incluidos principalmente el tipo opuesto, el tipo de un solo lado y el tipo de equilibrio simétrico), compresores verticales (el plano base es perpendicular a la línea central del cilindro) y compresores angulares (el plano base forma un cierto ángulo con la dirección de la línea central del cilindro).
Los compresores verticales y horizontales con cilindros en un lado del cigüeñal son adecuados para condiciones de pequeño volumen de gas. Entre los compresores horizontales, el tipo de equilibrio simétrico es ampliamente utilizado y es una de las mejores opciones para compresores alternativos medianos y grandes. Este tipo de compresor tiene múltiples cilindros distribuidos uniformemente en ambos lados del cigüeñal, formando un ángulo de 180 grados con la dirección de la línea central del cilindro. Los compresores opuestos son adecuados para condiciones de compresión de gas a alta presión, mientras que los compresores angulares son adecuados para compresores de tamaño pequeño a mediano. Los compresores angulares se pueden dividir en varios tipos según el ángulo, como el tipo W (ángulo de 60 grados), el tipo L (ángulo de 90 grados) y el tipo ventilador (ángulo de 40 grados), entre otros.
2. Modelo de compresor de hidrógeno y significado de las letras
Para facilitar la identificación rápida de las características estructurales del compresor, el caudal volumétrico, la presión de trabajo y otra información,Compresores de hidrógenoAl igual que otros equipos de dinámica química comunes, los compresores de hidrógeno tienen números de modelo designados, y cada letra representa un significado diferente. El diagrama esquemático del modelo del compresor de hidrógeno se muestra en la Figura 2.
Figura 2: Diagrama esquemático del modelo de compresor de hidrógeno
En la Figura 2, la "diferencia" al final del número de modelo se utiliza principalmente para distinguir entre los tipos de compresores, generalmente representados por una combinación de letras y números. "Presión" se refiere a la presión manométrica de la presión de descarga nominal después de que el compresor comprime el gas, medida a presión atmosférica estándar. "Tasa de flujo volumétrico nominal" se refiere a la tasa de flujo del gas descargado por el compresor, calculada en función de las condiciones en la posición de succión estándar (presión, temperatura, composición del gas). La "estructura" y las "características" del compresor de hidrógeno representan la estructura y las características específicas del compresor, y los significados de cada letra se detallan en las Tablas 2 y 3.
Tabla 2: Letras y significados de la estructura del compresor de hidrógeno
Tabla 3: Letras y significados de las características del compresor de hidrógeno
3. Fallas comunes deCompresores de hidrógeno
Compresores de hidrógenotienen altos requisitos de precisión de fabricación y mantenimiento. Cuando el compresor de hidrógeno funciona con accionamiento por motor, el cigüeñal gira rápidamente y se mueve hacia adelante y hacia atrás. Un extremo del cigüeñal y la biela está conectado al componente de la cruceta, que también se mueve en vaivén dentro de la guía bajo la acción del cigüeñal y la biela, lo que finalmente impulsa al pistón para que se mueva en vaivén y comprima el hidrógeno (o gas mixto que contiene hidrógeno). Sin embargo, durante el movimiento alternativo prolongado del cigüeñal, la biela y los componentes de la cruceta, estas piezas son propensas a desgastarse. El desgaste severo puede afectar la calidad operativa, lo que requiere una detección y un apagado oportunos para el mantenimiento a fin de garantizar el funcionamiento seguro y estable del compresor de hidrógeno.
3.1 Fallas del sistema de aceite lubricante y análisis de sus causas
El problema más común con el sistema de aceite lubricante del compresor de hidrógeno es la baja presión de aceite. Durante el funcionamiento normal, el aceite lubricante es presurizado por la bomba de aceite y enviado al filtro de la primera etapa, luego pasa a través del enfriador de aceite lubricante externo y el filtro de la segunda etapa, y se divide en tres rutas. La primera ruta va al manómetro de presión de aceite del compresor (incluidos los manómetros remotos y locales); la segunda ruta llega a la sección pequeña del cojinete de biela para proporcionar lubricación; y la tercera ruta va a la bomba de compensación para evitar fugas del limitador de presión de aceite.
En el mantenimiento normal del sistema de aceite lubricante, el primer paso es inspeccionar visualmente cada sistema de línea de aceite, especialmente los puntos de sellado estático en las tuberías. Si se encuentran fugas o manchas de aceite, se debe apretar la línea de aceite que tiene fugas. Durante el funcionamiento normal del compresor de hidrógeno, el sistema de aceite lubricante siempre está en un estado de presión negativa, lo que dificulta la detección de una presión de aceite reducida. Para determinar esto con precisión, se necesitan inspecciones detalladas de los puntos de sellado estático en las líneas de aceite y se deben reemplazar todas las tuberías que puedan tener fugas para eliminar posibles riesgos. Además, se debe verificar estrictamente la calidad del aceite lubricante, ya que el contenido de agua y los niveles de iones metálicos pueden acelerar la degradación del aceite. Si el contenido de gas no condensable del aceite excede el estándar, pueden ocurrir fluctuaciones de la presión del aceite. Al inspeccionar la línea de suministro de aceite lubricante y el espacio entre la cavidad del filtro de la segunda etapa y el enfriador de aceite, se puede evaluar el nivel de condensación de gas en la línea de aceite; los espacios más grandes indican más condensación. Dos razones comunes para la condensación son: (1) el aceite lubricante tiene cierta solubilidad para el aire externo, lo que hace difícil evitar una pequeña cantidad de disolución de aire; (2) el dispositivo limitador de presión de aceite de segunda etapa devuelve aceite mezclado con una pequeña cantidad de aire, formando espuma, que se acumula y aumenta el espacio. Para resolver este problema, la salida de la tubería de retorno de aceite debe ubicarse lo más cerca posible del extremo más alejado de la entrada del filtro de aceite lubricante para evitar la concentración de espuma en la tubería.
3.2 Análisis de fallas y mantenimiento de válvulas de gas y placas de válvulas
Típicamente,Compresores de hidrógenoDebe cambiarse a una unidad de reserva y someterse a mantenimiento o inspección cada 3 a 6 meses. Se debe prestar especial atención a las válvulas de gas, ya que las placas de válvulas son propensas a la acumulación de carbón, acumulación de lodo de aceite o polvo, y los resortes de las válvulas de gas pueden romperse. La tapa de presión de la válvula de gas tiene varios tornillos superiores; durante el mantenimiento, estos tornillos deben aflojarse y colocarse en un recipiente limpio o un paño sin polvo. Luego, se deben aflojar los pernos y las tuercas en la parte superior de la tapa de presión de la válvula de gas, dejando los dos pernos y tuercas diagonales hasta que no se escape gas del cilindro y luego se los quita todos. Finalmente, retire la tapa de presión y la tapa de presión de la placa de válvula, tire suavemente de la placa de válvula y limpie cualquier posible mancha de aceite o lodo para la inspección del material. Todas las válvulas de gas deben probarse a presión con nitrógeno antes de la instalación para garantizar que no haya fugas. Los detalles sobre el análisis de fallas de la placa de válvula y los métodos de manejo se muestran en la Tabla 4.
Tabla 4: Análisis de fallas de placas de válvulas y métodos de manejo
3.3 Bloque de cilindros
La suavidad y lubricación de la pared del cilindro son cruciales. A medida que el pistón se mueve rápidamente dentro del cilindro, si el hidrógeno contiene polvo o partículas, la pared del cilindro puede rayarse o ranurarse, lo que puede provocar una falla del cilindro. Si los rayones o ranuras son menores, se pueden suavizar utilizando una piedra de afilar de media caña. Para rayones o ranuras más severos, donde la longitud de la ranura excede 1/4 de la circunferencia del cilindro y el ancho de la ranura es mayor a 3 mm y la profundidad mayor a 0.4 mm, se requiere perforar el cilindro. El perforado es un tratamiento común para el desgaste severo, aumentando ligeramente el diámetro del cilindro, pero sin exceder el 2% del diámetro de diseño original, con una reducción del espesor de la pared que no exceda 1/12 del espesor original. Después del perforado, seleccione pistones y anillos de pistón que coincidan con el nuevo diámetro del cilindro para garantizar la holgura adecuada.
3.4 Cruceta y biela
La cruceta suele estar forjada en acero al carbono o de aleación de alta calidad, lo que le proporciona una gran resistencia y rigidez. Conecta el extremo inferior de la biela al cojinete del extremo pequeño de la biela, transmitiendo la fuerza del pistón a la biela y al cigüeñal. La biela convierte el movimiento alternativo del pistón en movimiento de rotación del cigüeñal. La cruceta, el pasador de la cruceta, la placa deslizante y el riel guía se conocen colectivamente como el conjunto de la cruceta y son propensos a agrietarse debido a la alta presión.
Reemplazo de la cruceta:
Si se ha quitado el asiento intermedio del cuerpo, se puede reemplazar la cruceta quitándola de la brida de conexión. Si el asiento intermedio está integrado al cuerpo, la sustitución de la cruceta se puede realizar a través de orificios de medición en el cuerpo.
Durante el reemplazo de la ventana, mueva el travesaño al centro de la ventana (es decir, el centro de la trayectoria de deslizamiento del travesaño), gírelo 90 grados a lo largo del eje para alinear las trayectorias de deslizamiento superior e inferior con los dos lados de la ventana y luego muévalo paralelamente fuera de la ventana para repararlo y reemplazarlo.
Al realizar reparaciones, evite dañar la superficie de trabajo de la trayectoria deslizante, alinee con el puerto guía y asegúrese de que el espacio libre cumpla con los requisitos especificados.
Reemplazo del cojinete del extremo grande de la biela:
(1) Utilice el dispositivo giratorio para posicionar el muñón del cigüeñal en la parte superior y asegurarlo para evitar deslizamientos y accidentes.
(2) Primero, retire los pernos de la biela de la parte inferior, use los tornillos del anillo de elevación para suspender la tapa de la biela, luego retire los pernos de la biela superior y levante la tapa y el cojinete junto con los tornillos del anillo de elevación.
(3)Gire lentamente el cigüeñal con el dispositivo giratorio para separar la biela del muñón del cigüeñal y retire la biela para reemplazarla.
(4) Reemplace los cojinetes del extremo grande de la biela en pares.
(5)Realizar pruebas no destructivas en los pernos de la biela.
(6) En la actualidad, los cojinetes de biela son cojinetes de pared delgada estándar que no requieren raspado. La holgura de los cojinetes de biela debe cumplir estrictamente con los requisitos de diseño.
Reemplazo del cojinete del extremo pequeño de la biela:
(1) Primero, retire la tuerca de sujeción del pasador de posicionamiento y saque el pasador de posicionamiento. Use una varilla redonda para empujar el pasador de la cruceta hacia afuera desde un extremo para separar la cruceta de la biela. Luego, retire la biela de la cubierta del motor y proceda con el reemplazo del cojinete del extremo pequeño, protegiendo la trayectoria deslizante.
(2) Durante el reemplazo, presione el cojinete viejo para sacarlo del extremo pequeño de la biela y presione el cojinete nuevo.
3.5 Cigüeñal
La conicidad y la ovalidad del muñón principal y del muñón del cigüeñal deben ser<0.10 mm; the main shaft levelness should be <0.05 mm/M (higher in the motor direction). Each inspection should include non-destructive testing of the crankshaft journals.
Reemplazo del cojinete principal:
(1) Retire la cubierta lateral del cuerpo de la máquina y las cubiertas laterales de los extremos, y separe las conexiones del cigüeñal y del motor. Luego, afloje el tubo de aceite lubricante y la cubierta del cojinete principal para quitar la carcasa inferior del cojinete principal.
(2) Coloque un gato debajo del cigüeñal en las posiciones adecuadas (manteniéndolo equilibrado), levante el cigüeñal aproximadamente 0,1–0,2 mm y use una varilla redonda u otras herramientas adecuadas para quitar la carcasa inferior del cojinete principal del asiento del cojinete. De manera similar, inserte la nueva carcasa inferior en el asiento del cojinete.
(3)Instale la nueva carcasa superior y la cubierta del cojinete principal en el asiento del cojinete y asegure los pernos del cojinete según sea necesario.
(4)Los cojinetes principales fabricados en pares deben reemplazarse en pares.
(5) Ajuste la holgura entre el cojinete del extremo grande y el muñón del cigüeñal utilizando calzas para cojinetes de paredes gruesas. Para cojinetes de paredes delgadas, raspe si la holgura es demasiado pequeña; reemplácela si es excesivamente grande.
(6)Mida el juego radial utilizando métodos de presión de plomo y el juego axial utilizando galgas de espesores o restando los diámetros del orificio del cojinete y del eje.
(7) El juego radial debe ser de 0,8‰–1,2‰ del diámetro del muñón.
(8)Para requisitos específicos de diseño, la holgura del cojinete principal debe seguir estrictamente los valores de diseño del compresor.
4. Conclusión
En los procesos de producción química que utilizan hidrógeno como materia prima, el compresor de hidrógeno es una pieza fundamental del equipo para las reacciones químicas. Por lo tanto, se debe establecer un programa de mantenimiento bien planificado, que incluya controles regulares de las unidades de reserva y trabajos de mantenimiento según los requisitos del fabricante después de cambiar a un compresor de respaldo. Además, se debe revisar periódicamente el sistema de aceite lubricante y limpiar los filtros primario y secundario. Durante las inspecciones, utilice un estetoscopio para verificar si hay sonidos anormales en varios segmentos del compresor para determinar si el bloque de cilindros de hierro fundido, el cigüeñal, las bielas, etc., funcionan normalmente. Este documento analiza y resume los principios de funcionamiento, las clasificaciones y las fallas comunes de los compresores de hidrógeno.Compresores de hidrógeno, proporcionando orientación operativa para la industria química, mejorando los niveles de operación, gestión y mantenimiento deCompresores de hidrógeno, garantizando un funcionamiento estable, reduciendo las pérdidas por tiempo de inactividad y maximizando los beneficios económicos para las empresas.
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