【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要：某煉廠60萬噸/年柴油加氫裝置，解析氣壓縮機(jī)的兩根35CrMoA鋼連桿螺栓在切機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂失效。對(duì)螺栓的斷口形貌進(jìn)行了分析，對(duì)其化學(xué)成分，顯微組織和硬度等進(jìn)行了理化分析。發(fā)現(xiàn)斷裂連桿螺栓的組織分布不均勻，夾雜物較多，力學(xué)性能下降，在交變載荷作用下，最終發(fā)生疲勞失效。通過金相組織、掃描電鏡等的檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明，在交變載荷的作用下，該連桿其中一根螺栓首先疲勞斷裂，隨之另一根連桿螺栓因過載而被拉滑扣且彎曲，大頭瓦巴氏合金卷層熔化。

　　文/洛陽石化三隆公司動(dòng)設(shè)備 孫應(yīng)輝

 

　　一、引言

　　往復(fù)式壓縮機(jī)的連桿組由連桿體、連桿大頭蓋、連桿小頭襯套、連桿大頭軸瓦和連桿螺栓（或螺釘）等組成。連桿組承受活塞銷傳來的氣體作用力及其本身擺動(dòng)和活塞組往復(fù)慣性力的作用，這些力的大小和方向都是周期性變化的。因此連桿受到壓縮、拉伸等交變載荷作用。連桿必須有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度。疲勞強(qiáng)度不足，往往會(huì)造成連桿體或連桿螺栓斷裂，進(jìn)而產(chǎn)生整機(jī)破壞的重大事故。若剛度不足，則會(huì)造成桿體彎曲變形及連桿大頭的失圓變形，導(dǎo)致活塞、汽缸、軸承和曲柄銷等的偏磨，造成壓縮機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。

 

　　二、機(jī)組概述

　　柴油加氫裝置VPSA解析氣壓縮機(jī)K-302A/B由國內(nèi)某公司生產(chǎn)，型號(hào)為4M20-198/0.1-6.5，兩級(jí)對(duì)稱雙吸雙排平衡型往復(fù)式氣體壓縮機(jī)。機(jī)組設(shè)置兩個(gè)強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)：一是傳動(dòng)部分（曲軸、十字頭）；二是工作部分（氣缸、填料函）潤滑系統(tǒng)。該機(jī)組的每個(gè)氣缸套和填料函都采用了循環(huán)軟化水冷卻系統(tǒng)。機(jī)組的所有吸氣閥均裝有氣量調(diào)節(jié)器，分為0%、50%、100%三個(gè)檔次。

　　壓縮機(jī)主要技術(shù)規(guī)范：

　　VPSA解析氣壓縮機(jī)抽氣能力為11000Nm3/h，進(jìn)口壓0.01MPa(G)，出口壓力0.65MPa(G)。

　　壓縮機(jī)

　　（1）流量             11000Nm3/min

　　（2）前一級(jí)吸氣壓力   0.01MPa(G)

　　后一級(jí)吸氣壓力   0.01MPa(G)

　　（3）前一級(jí)排氣壓力   0.18MPa(G)

　　后一級(jí)排氣壓力   0.18MPa(G)

　　（4）前二級(jí)吸氣壓力   0.18MPa(G)

　　后二級(jí)吸氣壓力   0.18MPa(G)

　　（5）前二級(jí)排氣壓力   0.65MPa(G)

　　后二級(jí)排氣壓力   0.65MPa(G)

　　（6）前一級(jí)吸氣溫度   40℃

　　后一級(jí)吸氣溫度   40℃

　　（7）前一級(jí)排氣溫度   107℃

　　后一級(jí)排氣溫度   107℃

　　（8）前二級(jí)吸氣溫度   40℃

　　后二級(jí)吸氣溫度   40℃

　　（9）前二級(jí)排氣溫度   112℃

　　后二級(jí)排氣溫度   112℃

　　（10）各級(jí)缸徑        910/585 mm

　　（11）活塞行程        280mm

　　（12）曲軸轉(zhuǎn)速        375r/min

　　主電機(jī)

　　（1）型式      增安型三相異步電動(dòng)機(jī)

　　（2）額定功率           1250kW

　　（3）額定電壓           10000V

　　（4）額定電流           125.3A

　　（5）轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）   375r/min

　　三、連桿斷裂故障描述

　　2020年12月11日15∶18時(shí)，柴油加氫裝置解析氣壓縮機(jī)K-302A在切機(jī)運(yùn)行過程中，突然出現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)，隨即曲軸箱振動(dòng)探頭聯(lián)鎖停機(jī)，運(yùn)行人員在現(xiàn)場(chǎng)觀察到曲軸箱有冒煙現(xiàn)象。在緊急切機(jī)后，具備檢修條件，維護(hù)人員打開曲軸箱蓋，發(fā)現(xiàn)后一級(jí)連桿螺栓已斷裂，另一條滑扣螺母與桿粘死，連桿大頭瓦巴士合金脫層燒熔。最終用角磨機(jī)切斷粘死螺栓才將連桿取出。

　　四、分析檢查

　　通常我們認(rèn)為，連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。合金鋼雖具有很高強(qiáng)度，但對(duì)應(yīng)力集中很敏感。所以，在連桿外形、過度圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意表面加工質(zhì)量以提高疲勞強(qiáng)度，否則高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能達(dá)到預(yù)期效果。連桿螺栓承受很大的交變載荷，是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中受力情況最嚴(yán)重的零件。它要有足夠的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性，因此在選材、制造包括過渡圓角和粗糙度、檢修裝配都不可掉以輕心。

 

　　五、連桿螺栓斷裂的原因

　　（1）螺栓頭部、螺母與連桿上的支承面沒垂直貼合緊密。

　　（2）螺母沒有擰緊，止退措施失效。

　　（3）螺栓應(yīng)力集中的敏感部位精度不夠，如螺紋、退刀槽、過渡圓角、大小頭孔平行度等。

　　（4）螺栓疲勞或接近疲勞又受附加力的沖擊造成斷裂。

　　（5）與軸瓦、銅套的配合間隙不當(dāng)，出現(xiàn)偏磨、燒研。

　　（6）連桿油路堵塞，不過油。

　　根據(jù)當(dāng)時(shí)檢修情況，連桿螺栓與連桿接觸支撐面均用油石研磨，可以排除（1）項(xiàng)因素；

　　連桿螺母均采用隨機(jī)扭矩扳手統(tǒng)一上緊，力矩相同，可以排除（2）項(xiàng)因素；

　　本機(jī)所有連桿螺栓拆檢后清洗檢查，加工精度較高，沒有異常缺陷，可以排除（3）項(xiàng)因素；

　　檢查本機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)：本機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（曲軸、連桿、十字頭等）采用強(qiáng)制潤滑。整個(gè)潤滑油系統(tǒng)由軸頭泵和稀油站及管路組成。稀油站由輔油泵、雙聯(lián)過濾器、冷卻器、安全閥及溢流閥等組成。潤滑油由機(jī)身內(nèi)的進(jìn)油管進(jìn)入各軸承蓋，經(jīng)過主軸承潤滑主軸頸并進(jìn)入曲軸上的油孔，經(jīng)過連桿體內(nèi)油孔流向十字頭銷并潤滑十字頭滑板，油系統(tǒng)通暢，可以排除（6）項(xiàng)因素；

　　檢查檢修記錄，連桿大頭瓦間隙在技術(shù)要求范圍內(nèi)，排除（5）項(xiàng)因素；

　　檢查開車程序，開機(jī)前先啟動(dòng)輔助油泵潤滑各摩擦部位，當(dāng)油壓＞0.25MPa(G)，壓縮機(jī)主電機(jī)可以啟動(dòng)。壓縮機(jī)工作中，如果油壓≥0.4MPa(G)時(shí)報(bào)警手動(dòng)停輔助油泵，油壓≤0.25MPa(G)時(shí)報(bào)警啟動(dòng)輔助油泵，油壓≤0.15MPa(G)時(shí)主電機(jī)立即停機(jī)，以保證摩擦部位不至于因無潤滑油而損壞，油壓可通過稀油站上的自立式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)整，油泵的供油壓力應(yīng)為0.35～0.4MPa(G)。機(jī)身內(nèi)的油位高度可以從機(jī)身上的油位指示器上觀察，最高油位應(yīng)不至于接觸曲軸、連桿；最低油位應(yīng)保證吸油口不露出油面，本機(jī)機(jī)身油池最大注油量約為325升。本機(jī)油池采用恒溫電加熱器，當(dāng)油溫≥0℃時(shí)允許開輔助油泵，當(dāng)油溫≥10℃時(shí)允許開啟壓縮機(jī)。開機(jī)程序符合廠家要求，油路運(yùn)行正常，不會(huì)出現(xiàn)供油不足或中斷。

　　本機(jī)嚴(yán)格按照廠家要求，運(yùn)動(dòng)部件潤滑油選用GB12691-90標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的L-DAB 100壓縮機(jī)油

　　粘度 (40℃)       90～110mm2/S

　　閃點(diǎn) (開口)       ≥205℃

　　傾點(diǎn)             ≤-9℃

　　查閱上次檢修記錄，與檢修描述，連桿兩根抗拉螺栓將其連接成一體，連桿大頭瓦為剖分式，瓦背材料為20號(hào)鋼，瓦面為軸承合金，兩端翻邊做軸向定位，大頭孔內(nèi)側(cè)表面鑲有圓柱銷，用于大頭瓦徑向定位，防止軸瓦轉(zhuǎn)動(dòng)。連桿小頭及小頭襯套為整體式，襯套材料為錫青銅。連桿體內(nèi)沿桿體軸向鉆有油孔，并與大小頭瓦背環(huán)槽連通，潤滑油經(jīng)環(huán)形槽并通過軸瓦上的徑向油孔實(shí)現(xiàn)對(duì)曲柄銷的潤滑。為確保連桿安全可靠地傳遞交變載荷，連桿螺栓緊固時(shí)，均采用扭矩扳手緊固，有足夠預(yù)緊力保證，其預(yù)緊力的大小通過測(cè)量連桿螺栓緊固后的伸長量，達(dá)到技術(shù)要求。檢修時(shí)時(shí)采用的是隨機(jī)所帶的螺栓伸長量測(cè)量專用工具進(jìn)行測(cè)定，在檢修螺栓緊固上沒有問題。查閱廠家技術(shù)規(guī)范，在連桿使用周期有要求，連桿螺栓工作時(shí)間累積超過16000小時(shí)，必須報(bào)廢更換。但本機(jī)組運(yùn)行周期已經(jīng)超過四年，雖經(jīng)過一次大修，但未按照廠家要求，到周期未更換連桿螺栓，認(rèn)為經(jīng)過著色探傷沒有問題，就超期使用。

　　通過對(duì)螺栓的斷口形貌進(jìn)行了分析，對(duì)其化學(xué)成分，顯微組織和硬度等進(jìn)行了理化分析。斷裂連桿螺栓的組織分布不均勻，夾雜物較多，力學(xué)性能下降，在交變載荷作用下，最終發(fā)生早期疲勞失效。通過金相組織、掃描電鏡等的檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明，在交變載荷的作用下，該壓縮機(jī)的一根連桿螺栓首先疲勞斷裂；隨之另一根連桿螺栓因過載而被拉滑扣，最終導(dǎo)致軸瓦燒壞。

 

　　六、壓縮機(jī)維護(hù)注意事項(xiàng)

　　通過本次連桿螺栓斷裂暴露出往復(fù)式壓縮機(jī)核心易損件到期必須進(jìn)行更換的問題的嚴(yán)肅性，最終經(jīng)各級(jí)部門討論，優(yōu)化了機(jī)組檢修方案。

 

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