4M50型往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿斷裂原因分析

詹培德 王建軍 劉 兆 周柏林 田蘭君 宋 楊

（蘭州石化設(shè)備維修公司 蘭州）

4M50型往復(fù)壓縮機(jī)是蘭州石化連續(xù)重整裝置的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于重整裝置石腦油加氫，其運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接影響到重整裝置能否正常運(yùn)行。由于活塞桿斷裂直接引發(fā)其他部件連鎖性破壞，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。4M50型往復(fù)壓縮機(jī)壓縮介質(zhì)為氫氣，為4列4缸對置平衡型壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速300 r/min，軸功率2900 kW，循環(huán)水耗量58.3 m3/h，行程400 mm，氣缸循環(huán)水26.2 m3/h，電機(jī)功率3200 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min。

二、故障分析

1.故障

連續(xù)重整裝置循環(huán)氫增壓機(jī)4M50型主軸承溫度故障報(bào)警；4M50型壓縮機(jī)出口流量由21 300 m3/h逐漸降至11 000 m3/h，同時(shí) D-201壓力急劇上漲，其放空閥打開并開始向火炬泄壓，隨后重整外操人員發(fā)現(xiàn)，重整循環(huán)氫增壓機(jī)振動(dòng)增大并伴有較大噪聲，決定緊急停運(yùn)。

檢修人員對設(shè)備進(jìn)行檢查處理，發(fā)現(xiàn)斷裂位置位于活塞桿細(xì)桿和十字頭銷連接根部，斷裂時(shí)操作工況正常。但由于停機(jī)過程稍長，活塞桿斷口受到撞擊，無法觀察斷口裂紋形貌。

2.設(shè)備履歷

壓縮機(jī)自2007年大修結(jié)束至今累計(jì)運(yùn)行時(shí)間14 985 h，其中2007年10月大修中更換一段北缸連桿小頭瓦1套，更換活塞桿4根。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，一段北缸斷裂活塞桿系2007年10月大修中更換，累計(jì)運(yùn)行14 985 h即斷裂。一般要求大型往復(fù)壓縮機(jī)應(yīng)連續(xù)運(yùn)行2年以上，且運(yùn)行時(shí)間＞95%即16 000 h，故基本可以排除由于失修而引起的斷裂。

3.原因分析

圖1 活塞桿與十字頭裝配圖

（1）十字頭與活塞桿液壓緊固原理。液壓式聯(lián)接器的原理是利用手動(dòng)超高壓油泵產(chǎn)生的高壓油從油泵高壓接頭進(jìn)入腔室，所產(chǎn)生的壓力作用在壓力體上，進(jìn)而作用在活塞桿肩部，使活塞桿在長度上產(chǎn)生緊固所需的初始伸長，將緊固螺母旋入十字頭端部實(shí)現(xiàn)機(jī)械定位。卸壓后由于活塞桿的彈性變形所產(chǎn)生的巨大彈性預(yù)緊力，緊緊作用在壓力體和鎖緊螺母之間的連接螺紋上，使螺紋副不可能相對轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了十字頭與活塞桿的連接。

（2）活塞桿斷口宏觀觀察（圖2）。通過觀察發(fā)現(xiàn)活塞桿斷裂面垂直于軸線方向，斷裂面有明顯的壓痕形貌，說明在斷裂后又發(fā)生擠壓，導(dǎo)致活塞桿斷裂面遭受破壞，無法觀察是否有疲勞裂紋，但從斷口形貌拉看，初步推斷活塞桿應(yīng)為疲勞斷裂。因?yàn)槿绻钦瓟嘈问綌嗔?，在斷口的周圍將產(chǎn)生明顯的頸縮現(xiàn)象。如果材料的脆性很大活塞桿產(chǎn)生脆斷，這時(shí)斷口與軸線垂直，并且斷口周圍無明顯變形。而實(shí)際活塞桿的材料是42CrMoE，是調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，不是脆性材料，心部又經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，表面經(jīng)過高頻淬火處理，其綜合力學(xué)性能比較好，在現(xiàn)有工況下使用不會產(chǎn)生脆斷。所以從活塞桿斷口周圍變形的狀況可以推測，活塞桿應(yīng)是疲勞斷裂。

活塞桿與止推環(huán)接觸部分有翻邊現(xiàn)象，故可推斷活塞桿與十字頭安裝打壓過程中可能會出現(xiàn)油壓超標(biāo)或油壓不足的情況。若油壓超標(biāo)會使活塞桿預(yù)拉伸量超標(biāo)，緊固螺母后，活塞桿預(yù)拉伸部分會產(chǎn)生超標(biāo)的拉應(yīng)力，此應(yīng)力為過載持續(xù)張量，會使活塞桿材料迅速屈服，直至疲勞斷裂。若預(yù)緊力不夠會造成交變力增大，會增大疲勞裂紋的產(chǎn)生速度，造成疲勞斷裂。

圖2 活塞桿斷口面損傷形貌

4.斷口分析

（1）活塞桿金相分析。取活塞桿橫截面為檢驗(yàn)面，機(jī)械拋光，4%硝酸酒精溶液侵蝕后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織形貌。通過低倍顯微觀察可發(fā)現(xiàn)在靠近斷口邊緣以及芯部橫截面上未見縮孔、裂紋、白點(diǎn)。高倍觀察發(fā)現(xiàn)斷口邊緣以及芯部金相組織為回火索氏體，組織結(jié)構(gòu)均勻致密。材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不存在明顯缺陷。

（2）化學(xué)成分分析。選取失效活塞桿縱截面為檢驗(yàn)面，機(jī)械拋光對材料做了化學(xué)成分分析?；瘜W(xué)分析結(jié)果與GB/T 3007-1999中的標(biāo)準(zhǔn)成分對比如表1所示。由表1可見，斷裂活塞桿的化學(xué)成分完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以排除材料誤用或材料質(zhì)量差導(dǎo)致的斷裂。

表1 非金屬含量對比表

（3）力學(xué)性能試驗(yàn)。材料斷裂部位心部及邊緣進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)中心部及邊緣各取3個(gè)點(diǎn)，其中邊緣強(qiáng)度分別為256.5、255.5、263.0，芯部強(qiáng)度分別為 254.5、262.5、263.0，對應(yīng)硬度均＞61.5 HRC，測試結(jié)果表明心部及邊緣無硬度不均現(xiàn)象且強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

將材料加工為兩個(gè)部分進(jìn)行金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)，將工件分3部分進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果同為32 kV2/J。對應(yīng)Aku為64。試驗(yàn)結(jié)果表明沖擊強(qiáng)度基本符合要求，但強(qiáng)度僅達(dá)到材料要求數(shù)值。將材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其中抗拉強(qiáng)度為1083 MPa，屈服強(qiáng)度為940 MPa，試驗(yàn)結(jié)果表明材料抗拉及屈服強(qiáng)度符合要求。

（4）活塞桿表面粗糙度。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)活塞桿表面能夠微見車削加工痕跡（圖3），故表面粗糙度最低也在Ra3.2，而根據(jù)JB-T 9105-1999中規(guī)定活塞桿表面粗糙度應(yīng)≤Ra3.2，故認(rèn)為活塞桿表面粗糙度不符合要求。

通過以上分析表明活塞桿組織成分無問題，但斷裂面表明粗糙度并未達(dá)到要求?；钊麠U與十字頭雖為預(yù)緊力連接，但在運(yùn)動(dòng)過程中還是會發(fā)生微動(dòng)，所以活塞桿斷裂有可能是由于發(fā)生微動(dòng)疲勞導(dǎo)致的斷裂。為確定活塞桿是否為疲勞斷裂，故對活塞桿進(jìn)行力學(xué)分析，確定活塞桿設(shè)計(jì)是否達(dá)到工況要求。

圖3 活塞桿斷裂部位車削痕跡

5.力學(xué)分析

活塞桿在工作過程中（圖4），所受外力有氣體壓力F1，活塞及十字頭與氣缸摩擦力F2，往復(fù)慣性力I?；钊麠U上總作用力為F=F1+F2+I。其中摩擦力F2由于在活塞桿桿工作中所占比例較小，可忽略不計(jì)。（相關(guān)校核計(jì)算略）。

圖4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖

三、綜合分析

活塞桿是在交變載荷作用下發(fā)生的低應(yīng)力微動(dòng)疲勞斷裂，活塞桿斷裂與活塞桿材料的化學(xué)性能和力學(xué)性能無關(guān)，活塞桿設(shè)計(jì)符合實(shí)際工況要求?；钊麠U細(xì)桿部分表面粗糙度不符合要求，在檢修時(shí)可能出現(xiàn)打壓不足現(xiàn)象，活塞桿在斷裂前檢修時(shí)有可能已經(jīng)發(fā)生塑性變形。

由此可判定，斷裂是在交變載荷作用下發(fā)生的微動(dòng)疲勞，同時(shí)在檢修過程中，出現(xiàn)過打壓不足或打壓超標(biāo)現(xiàn)象。