新氫壓縮機十字頭銷斷裂的原因分析及應(yīng)對措施

潘 強，韓維濤，徐衛(wèi)忠，楊 達

（中國石油克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834000）

新氫壓縮機十字頭銷斷裂的原因分析及應(yīng)對措施

潘 強，韓維濤，徐衛(wèi)忠，楊 達

（中國石油克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834000）

針對克拉瑪依石化公司1.2×106t/a柴油加氫改質(zhì)裝置，新氫壓縮機運行過程中發(fā)生的十字頭銷斷裂事故進行了原因分析和總結(jié)，分別對十字頭銷材質(zhì)42Cr-Mo鋼斷口部位進行化學(xué)成分分析、理化試驗、著色檢查和力學(xué)性能測試，運用彈性力學(xué)中的圓孔孔邊應(yīng)力集中理論分析出了十字頭銷斷裂的根本原因，總結(jié)出了十字頭銷斷裂時的3個表征現(xiàn)象和應(yīng)對措施，為今后同類裝置處理類似問題提供借鑒和參照。

新氫壓縮機；十字頭銷；應(yīng)力集中；斷裂

1 引言

克拉瑪依石化公司1.2×106t/a柴油加氫改質(zhì)裝置設(shè)置2臺新氫壓縮機組（K-3101A/B），是裝置生產(chǎn)運行的核心設(shè)備，運行條件是一開一備，其作用是保證系統(tǒng)氫氣壓力，參與加氫反應(yīng)。十字頭銷是連接壓縮機連桿和十字頭體的關(guān)鍵部件，通過曲軸上的曲柄連桿機構(gòu)將壓縮機的曲軸和十字頭體連接在一起。在工作中十字頭銷承受剪切交變應(yīng)力，一般很少發(fā)生斷裂，查閱國內(nèi)相關(guān)資料文獻，有關(guān)十字頭銷斷裂的事故極少發(fā)生。目前僅有1例發(fā)生在茂名石化煉油廠渣油加氫裝置的同一臺機組上，該機組在1999年12月至2001年7月試車近一年半的時間里相繼發(fā)生過3次十字頭銷斷裂的事故。除此之外，國內(nèi)文獻幾乎檢索不到十字頭銷斷裂事故的報道。十字頭銷一旦發(fā)生斷裂輕則造成壓縮機停機，嚴重會造成人身傷亡的重大事故，特別是在重大化工、石油等工業(yè)中，十字頭銷的斷裂將會影響生產(chǎn)的順利進行，造成巨大的經(jīng)濟損失。十字頭銷斷裂時，如果沒有相關(guān)依據(jù)和標準作為參照，事故很難在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)，等發(fā)現(xiàn)機組聲音和振動異常時，事故已經(jīng)發(fā)展到了比較危險的破壞性階段。本文對克拉瑪依石化公司1.2×106t/a柴油加氫改質(zhì)裝置發(fā)生的2起斷裂事故的原因進行了分析和總結(jié)，運用彈性力學(xué)中的圓孔孔邊應(yīng)力集中理論找出了十字頭銷斷裂的根本原因，總結(jié)出了十字頭銷斷裂初期的3個表征現(xiàn)象和應(yīng)對措施，為國內(nèi)同類裝置處理類似問題提供了借鑒和參照依據(jù)。

2 故障概況

新氫壓縮機組（K-3101A/B）設(shè)計參數(shù)如下：采用3列對置不平衡固定式水冷機組設(shè)計，3列3級壓縮，吸氣壓力：一級1.98 MPa、二級3.94 MPa、三級7.42 MPa；排氣壓力：一級4.06 MPa、二級7.65 MPa、三級13.20 MPa；設(shè)計 排 氣量 ：34000 Nm3/H；電機功率：3150 kW。

2013年12月至2014年1月，克拉瑪依石化公司1.2×106t/a柴油加氫改質(zhì)裝置新氫壓縮機K-3101/B在一個月的時間里，接連發(fā)生了2起十字頭銷斷裂事故，2次斷裂事故斷口均在油孔處開裂，見圖1所示。

第一次斷裂事故：2013年12月14日凌晨01：00，新氫壓縮機K-3101/B曲軸箱附近發(fā)生劇烈的聲響，機身振動值比以往增大數(shù)倍，由于備用機組K-3101/A正在進行中修，K-3101/B機組緊急停機，裝置被迫緊急停工。停機后拆檢發(fā)現(xiàn)該機組一級缸的十字頭銷在其油孔處發(fā)生斷裂，斷口部位如圖1所示，十字頭銷斷裂后沿軸向被彈出，與十字頭艙內(nèi)壁產(chǎn)生劇烈碰撞，艙內(nèi)壁有被撞擊后產(chǎn)生的凹坑，被撞碎的金屬顆粒雜質(zhì)沿十字頭滑道進入曲軸箱，造成曲軸箱內(nèi)油質(zhì)污染，取油樣鐵譜分析發(fā)現(xiàn)潤滑油中金屬磨粒增多。

第二次斷裂事故：發(fā)生在2014年1月17日12：40分，表征現(xiàn)象和第一次事故相似，由于有了第一次事故的表征現(xiàn)象作為參照和判斷，本次事故發(fā)生時判斷和處理都較為及時，事故處理時間大大縮短，故此次事故未擴大化，緊急切換機組，裝置平穩(wěn)運行。

停機后查閱DCS數(shù)據(jù)畫面趨勢顯示十字頭銷斷裂后有3個表征現(xiàn)象：

（1）機身曲軸箱振動值跳躍式增大到原來的數(shù)倍；

（2）潤滑油總管油壓由于十字頭銷斷裂后4個油孔處的油壓被突然泄放，油路背壓減小，潤滑油總管油壓降低；

（3）潤滑油過濾器壓差逐漸增大，潤滑油過濾器壓差大致等于過濾器前的軸頭泵出口壓力減去過濾器后的潤滑油總管油壓，由于十字頭銷斷裂后引起潤滑油總管油壓降低，而此時軸頭泵出口壓力未變，所以潤滑油過濾器壓差增大。

該十字頭銷材料為42CrMo鋼，熱處理狀態(tài)為850℃淬火+560℃回火。為了防止十字頭銷再次發(fā)生斷裂事故，本文對其斷裂原因進行了失效分析。

圖1 十字頭銷斷口部位

3 斷裂原因分析

3.1 材料成分分析

從斷裂的十字頭銷上取樣進行化學(xué)分析，各主要化學(xué)成分含量分析結(jié)果與規(guī)定值的比較見表1。

由化學(xué)成分可知，材料的宏觀成分符合GB 3077-82中的42CrMo鋼材料的規(guī)定值，可以確定材料為42CrMo鋼。

3.2 斷口分析

通過對實物斷口的理化試驗和機械性能測試，并對斷裂部位進行著色檢查，發(fā)現(xiàn)在十字頭銷油孔的銳倒角處存在裂紋（見圖2），隨著反復(fù)受交變應(yīng)力作用，裂紋逐步擴展，先擴展至離表面15 mm深度，長度約為表面周長的1/2（見圖片顏色較深部位），接著擴展至截面積的5/6（見圖片比較平整面），最后是突然的撕裂（見圖片有凸起的臺階處）。

表1 材料化學(xué)成分（wt%）

表2 力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)

按照彈性力學(xué)中的圓孔孔邊應(yīng)力集中理論，設(shè)計圖紙要求在孔口應(yīng)該是倒圓角并拋光，見圖3，但實物是孔口處倒了45°角，見圖4（非圓角），并且表面沒有經(jīng)過拋光，不符合設(shè)計圖紙要求，即本次事故的根本原因是十字頭銷油孔未按圖紙進行倒圓角和拋光，在該處造成了應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋產(chǎn)生后，應(yīng)力集中更進一步導(dǎo)致了裂紋的快速擴展，直到最終十字頭銷的斷裂失效。

3.3 力學(xué)性能試驗分析

從故障件上取樣進行力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果如表2所示，試驗數(shù)據(jù)表明，該材質(zhì)各項力學(xué)性能指標均合格。

4 十字頭銷斷裂應(yīng)對措施

4.1 預(yù)防措施

（1）DCS上將曲軸箱機身振動、潤滑油總管油壓、過濾器壓差集中組態(tài)成一個趨勢圖畫面，內(nèi)操對該趨勢圖畫面進行專屏監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)趨勢異常時，看是否符合十字頭銷斷裂的3個表征現(xiàn)象，及時進行分析判斷，應(yīng)急處理，防止事故擴大化。

圖2 斷口照片

圖3 設(shè)計圖紙要求

圖4 實際油孔倒角

（2）由于十字頭銷斷裂后沿軸向被彈出，與十字頭艙內(nèi)壁劇烈碰撞，被撞碎的金屬顆粒雜質(zhì)沿十字頭滑道進入曲軸箱，造成曲軸箱內(nèi)油質(zhì)污染，一旦十字頭銷斷裂后，需要及時對曲軸箱內(nèi)的潤滑油進行化驗分析，及時更換曲軸箱內(nèi)的潤滑油。

（3）聯(lián)系生產(chǎn)廠家將2臺機組的6臺十字頭銷全部召回，更換上按原設(shè)計圖紙設(shè)計制造的十字銷，并要求生產(chǎn)廠家提高產(chǎn)品加工過程的質(zhì)量控制和出廠檢驗標準。

（4）DCS畫面上將曲軸箱機身振動設(shè)置高報、高高報，為正常值的120%、140%，一旦機組發(fā)生振動報警，及時判斷分析原因。

4.2 應(yīng)急措施

十字頭銷斷裂后其連接的活塞一旦飛出，可能引起壓縮機缸體開裂，造成氫氣大量泄漏，引發(fā)嚴重后果，所以需要做好緊急停機準備。出現(xiàn)十字頭銷斷裂的3個表征現(xiàn)象，同時ESD上的可燃性氣體聲光報警（可能缸體已開裂），從監(jiān)控視頻上發(fā)現(xiàn)壓縮缸體明顯振動加工、開裂等異常情況時必須在中控室輔操臺上按緊急停機按鈕停機，壓縮機房內(nèi)禁止人員進入，停機后裝置按“新氫中斷”開展其它應(yīng)急操作。

5 結(jié)論

本文通過對2起十字頭銷斷裂事故的原因分析，找出了十字頭銷斷裂的根本原因為其加工制造質(zhì)量問題引起的油孔表面應(yīng)力集中產(chǎn)生的微裂紋在長期交變應(yīng)力作用下導(dǎo)致的最終斷裂事故?？偨Y(jié)出了十字頭銷斷裂時的3個表征現(xiàn)象及應(yīng)對措施，有效地指導(dǎo)操作人員在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，防止事故擴大化，同時為國內(nèi)同類裝置處理類似問題提供了參照和依據(jù)。

［1］王大成.氫氣壓縮機十字頭銷斷裂故障分析［J］.壓縮機技術(shù)，2003，（3）:36-37.

［2］黃紹碩.高壓往復(fù)式氫氣壓縮機十字頭銷斷裂原因分析及對策［J］.煉油技術(shù)與工程，2007，37（3）：41-44.

［3］崔天生.壓縮機的安裝維護與故障分析［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1993：98-99.

［4］ Dai Yande.Energy Efficiency and Market Potential of Electric Motor System in China［M］.Beijing：China Machine Pressure，2001：30-32.

［5］ Qin Hongbo Compressed Air System Performance Measurement and Analysis Method Study［A］.The 5th International Conference on Compressor and Refrigeration［C］.Xi＇an：Xi＇an Jiaotong University，2005:10-15.

［6］活塞壓縮機設(shè)計編寫組.活塞式壓縮機設(shè)計［M］.北京：中國機械工業(yè)出版社，1974：56-58.

［7］扈延光.壓縮機十字頭銷斷裂失效分析及預(yù)防［J］.材料工程，1997，（5）：45-47.

［8］蔣平.工程力學(xué)基礎(chǔ)（I）［M］.北京：高等教育出版社，2003：191-193.

［9］徐芝綸.彈性力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006，4：73-77.

Reason Analysis of Hydrogen Compressor Crosshead Pin Fracture and the Countermeasures

PAN Qiang，HAN Wei-tao，XU Wei-zhong，YANG Da
（PetroChina Karamay Petrochemical Company，Karamay 834000，China）

In this paper，aiming at the accidents of crosshead pin fracture during the operation of 1.2×106t/a diesel hydroupgrading hydrogen compressor in Karamay Petrochemical Company，the reason is analyzed and summarized from the points of chemical analysis，physical testing，coloring inspection and mechanical property test for the crosshead pin material of 42CrMo steel fracture parts. The hole stress concentration theory in elastic mechanics is used to analyze the fundamental reason of crosshead pin fracture.Three characterizations of phenomena in crosshead pin fracture and the countermeasures are summarized，which provides reference for dealing with similar problems in similar devices.

hydrogen compressor；crosshead pin；stress concentration；fracture

TH45；TK413.3+2

:B

1006-2971（2014）06-0055-04

潘強（1982-），男，四川內(nèi)江人，工程師，碩士，現(xiàn)在在中國石油克拉瑪依石化公司從事設(shè)備技術(shù)管理工作，已先后在國家核心期刊和國內(nèi)論文交流會議上發(fā)表論文8篇。E-m a i l：p a nq i a n g@p e t r o c h i n a.c o m.c n

2014-10-21