往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿斷裂處理

艾洪達(dá)

摘 要：通過(guò)分析往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿斷裂原因，提出防止活塞桿斷裂的措施。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；活塞桿；活塞；故障分析；處理措施

1、前言

往復(fù)式壓縮機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將曲軸、連桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為十字頭、活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)活塞在氣缸行程容積內(nèi)吸氣、壓縮、排氣，達(dá)到提高氣體壓力。氫壓機(jī)是離子膜裝置氫處理的關(guān)鍵設(shè)備。該機(jī)型號(hào)為2D10-77.3/3-BX型氫氣壓縮機(jī)，利用壓縮機(jī)提高氫氣的壓力，以使氫氣加壓輸送。本機(jī)結(jié)構(gòu)為對(duì)稱平衡型、兩列氣缸水平分布在曲軸兩側(cè)，其特點(diǎn)是往復(fù)慣性力與慣性力矩平衡好。

2、活塞桿斷裂產(chǎn)生的現(xiàn)象

自2007年裝置開車以來(lái)該機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，但從2014年以后，連續(xù)三次發(fā)生一二級(jí)件活塞桿與十字頭連接的彈性段部分?jǐn)嗔?，活塞桿彈性段被拉長(zhǎng)。2017年因二級(jí)活塞桿發(fā)生斷裂，活塞撞缸蓋，導(dǎo)致二段缸蓋破碎、曲軸磨損、缸體部分螺栓斷裂嚴(yán)重設(shè)備事故。

3、活塞桿斷裂產(chǎn)生原因分析

3.1十字頭安裝不正確

在設(shè)備安裝中如十字頭端面與十字頭下滑道不垂直，活塞桿與十字頭緊固后十字頭下滑板只有前端與滑道接觸，后端懸空。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后連桿作用力的分力使下滑板與滑道完全貼合，使活塞上翹。而活塞在本身重力作用下與氣缸表面接觸，造成活塞桿彎曲，產(chǎn)生彎曲外力與十字頭聯(lián)接的螺紋部位受力最大。其應(yīng)力值與活塞桿所受循環(huán)應(yīng)力最大值疊加，如超過(guò)許用應(yīng)力值，則活塞桿將發(fā)生斷裂。

另連桿瓦、十字頭、氣缸、活塞等部件安裝數(shù)據(jù)未達(dá)到檢修規(guī)程要求，或長(zhǎng)期使用磨損使各部間隙過(guò)大及聯(lián)接螺栓松動(dòng)，都會(huì)造成十字頭等部位振動(dòng)過(guò)大，使活塞桿承受附加外力作用，也可導(dǎo)致活塞桿產(chǎn)生裂紋斷裂。

3.3活塞支撐環(huán)磨損

活塞在氣缸中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，活塞支撐環(huán)發(fā)生磨損，使活塞中心逐漸低于十字頭中心。使活塞桿彎曲，活塞桿受彎曲外力作用，與十字頭聯(lián)接部位受力最大。而且磨損越大應(yīng)力越大，其與循環(huán)應(yīng)力綜合作用使活塞桿斷裂。

3.4氣缸進(jìn)入異物或水擊

壓縮機(jī)的氣缸余隙均在幾毫米，而氣閥螺栓等氣閥組件尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于余隙尺寸。壓縮機(jī)在運(yùn)行中由于吸氣閥螺栓松動(dòng)后與閥組脫離，氣閥組件吸入氣缸或氣閥因制造質(zhì)量或材料疲勞破壞吸入氣缸，造成活塞運(yùn)動(dòng)受阻，活塞桿所受拉力無(wú)限大，拉斷活塞桿。

壓縮機(jī)在開機(jī)過(guò)程中入口氣體中大量帶液，或多級(jí)壓縮機(jī)級(jí)間冷卻分離器長(zhǎng)時(shí)間未排油水，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸入大量液體，因液體不可壓縮，且不能及時(shí)排出，導(dǎo)致活塞運(yùn)動(dòng)受阻而拉斷活塞桿。

3.5受力分析

活塞桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中受氣體力、往復(fù)慣性力及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的磨擦力作用。因該機(jī)的鑄鋁活塞在改造前，一級(jí)進(jìn)口未設(shè)有氣液分離器，導(dǎo)致壓縮機(jī)在積液的狀態(tài)下，活塞受電解液腐蝕，將鑄鋁活塞改為不銹鋼活塞，壓縮機(jī)工藝參數(shù)在活塞改進(jìn)前后未發(fā)生變化，但往復(fù)慣性質(zhì)量發(fā)生變化，較原來(lái)增加，活塞桿的直徑未改變，經(jīng)制造廠家對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行核算，活塞桿承受抗拉、抗壓應(yīng)力變大，在規(guī)定的應(yīng)力上限范圍，導(dǎo)致活塞桿疲勞強(qiáng)度循環(huán)次數(shù)下降，活塞桿彈性段在運(yùn)行一段時(shí)間后變形被拉長(zhǎng)，最后拉斷。制造廠家在活塞材質(zhì)改變后，設(shè)計(jì)沒(méi)有充分考慮運(yùn)行過(guò)程疲勞強(qiáng)度會(huì)降低所致。

4、活塞桿斷裂采取的處理方法

4.1活塞的安裝

活塞在推入氣缸前，應(yīng)在活塞桿尾部套入保護(hù)套，以避免安裝時(shí)刮傷填料密封?；钊惭b時(shí)，應(yīng)保證活塞環(huán)在環(huán)槽能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊活塞時(shí)，環(huán)應(yīng)能全部沉入槽內(nèi)，相鄰活塞環(huán)的開口位置應(yīng)互相錯(cuò)開?；钊h(huán)軸向間隙應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。

4.2活塞桿與活塞的連接

活塞桿與活塞的連接一定要牢固準(zhǔn)確，活塞桿的定位臺(tái)肩與活塞的中心線垂直度符合要求，活塞的兩端軸肩與活塞桿支撐面要配研，并按規(guī)定的緊固力矩緊固，兩半活塞的結(jié)合面應(yīng)貼合緊密不得出現(xiàn)內(nèi)外圈的結(jié)合面的間隙，此點(diǎn)應(yīng)十分注意，因?yàn)閮?nèi)圈結(jié)合面的間隙會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，縮短活塞的壽命，而外圈的間隙造成活塞內(nèi)部腔內(nèi)進(jìn)入壓縮氣體，使內(nèi)部容積在一定程度上成為氣缸的余隙容積，對(duì)壓縮機(jī)的效率及活塞的壽命均有不良影響，因而組裝活塞各部應(yīng)仔細(xì)檢查研合。此面的光潔度及硬度值要求較嚴(yán)，使用前應(yīng)仔細(xì)檢查，光潔度一般要求Ra0.8以上，否則易造成受力面拉毛，嚴(yán)重影響活塞桿的使用。

4.3壓力體液壓緊固

將手動(dòng)油泵軟管與壓力體上接口相連。掀動(dòng)油泵手柄，使油泵壓力升至150MPa，在油壓作用下環(huán)性活塞和壓力體分別壓向定位螺圈和活塞桿肩部，迫使活塞桿尾部發(fā)生彈性伸長(zhǎng)變形，此時(shí)鎖緊螺母與十字頭頸部分開，再次用棒扳手旋緊鎖緊螺母，緊固時(shí)可用小錘輕輕敲擊棒扳手，以保證鎖緊螺母與十字頭頸部端面接觸貼實(shí)，然后卸壓，既完成第一次液壓緊固。第一次液壓緊固完成后，活塞桿尾部應(yīng)在初始伸長(zhǎng)狀態(tài)下保持1小時(shí)，再進(jìn)行第二次液壓緊固。仍以150MPa壓力與第一次相同方向進(jìn)行。第二次液壓緊固完成后，活塞桿尾部繼續(xù)伸長(zhǎng)狀態(tài)下保持1小時(shí)，再進(jìn)行第三次液壓緊固。仍以150MPa壓力與第一次相同方向進(jìn)行。卸壓后即完成液壓緊固工作，全部完畢可投入使用。

4.4測(cè)量十字頭滑履與滑道間隙

用外徑千分尺測(cè)量十字頭滑履的尺寸，用內(nèi)徑千分尺測(cè)量滑道的尺寸，并多點(diǎn)測(cè)量；兩者差值即為滑履與滑道的間隙；十字頭安裝在滑道內(nèi)后，用塞尺復(fù)測(cè)滑履與滑道的間隙（頂部間隙），該間隙應(yīng)在范圍內(nèi)。

4.5測(cè)量活塞前后止點(diǎn)間隙

將缸體排氣閥打開（前后各一個(gè)），盤動(dòng)曲軸，用直徑至少2mm以上的鉛絲，在前后缸蓋處壓鉛絲，鉛絲變形后的厚度即為間隙值；在打壓體打壓三次后，復(fù)測(cè)前后止點(diǎn)間隙。

4.6對(duì)受力的處理

以上檢查修理，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該機(jī)組在安裝過(guò)程中的問(wèn)題，活塞桿斷裂是活塞材質(zhì)改變后，設(shè)計(jì)沒(méi)有充分考慮運(yùn)行過(guò)程疲勞強(qiáng)度循環(huán)次數(shù)降低所致。對(duì)此缺陷進(jìn)行處理，對(duì)該機(jī)組一級(jí)進(jìn)口增設(shè)氣液分離器，防止氣缸帶液現(xiàn)象，一二級(jí)活塞由原來(lái)的不銹鋼活塞改為鑄鋁活塞，降低壓縮機(jī)的往復(fù)慣性質(zhì)量，從而降低活塞桿與十字頭連接的彈性段所承受的抗拉與抗壓應(yīng)力。

綜上所述只要嚴(yán)格執(zhí)行檢修規(guī)程，在安裝前認(rèn)真核對(duì)活塞桿各部尺寸，對(duì)螺紋、臺(tái)階等應(yīng)力集中部位重點(diǎn)檢查。在檢修過(guò)程中活塞桿斷裂是可以消除的，并定期用著色法進(jìn)行表面探傷檢查，來(lái)發(fā)現(xiàn)微小裂紋。設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)異常時(shí)應(yīng)立即停機(jī)檢查，避免發(fā)生事故；設(shè)備開機(jī)前認(rèn)真檢查入口情況，避免帶液，定時(shí)排放級(jí)間冷卻分離器油水，防止水擊；按規(guī)程要求定期更換活塞桿，避免其疲勞破壞等。

參考文獻(xiàn)

[1]《SHS 01020-2004 活塞式壓縮機(jī)維護(hù)檢修規(guī)程》中國(guó)石化出版社，2004版

[2]2D10-77.3/3-BX型氫氣壓縮機(jī)使用說(shuō)明書

（作者單位：南京化學(xué)工業(yè)有限公司檢維修部）