【壓縮機網】摘要：某煉廠60萬噸/年柴油加氫裝置，解析氣壓縮機的兩根35CrMoA鋼連桿螺栓在切機運行過程中發生斷裂失效。對螺栓的斷口形貌進行了分析，對其化學成分，顯微組織和硬度等進行了理化分析。發現斷裂連桿螺栓的組織分布不均勻，夾雜物較多，力學性能下降，在交變載荷作用下，最終發生疲勞失效。通過金相組織、掃描電鏡等的檢驗分析，結果表明，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設備 孫應輝

 

　　一、引言

　　往復式壓縮機的連桿組由連桿體、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和活塞組往復慣性力的作用，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度和結構剛度。疲勞強度不足，往往會造成連桿體或連桿螺栓斷裂，進而產生整機破壞的重大事故。若剛度不足，則會造成桿體彎曲變形及連桿大頭的失圓變形，導致活塞、汽缸、軸承和曲柄銷等的偏磨，造成壓縮機嚴重損壞。

 

　　二、機組概述

　　柴油加氫裝置VPSA解析氣壓縮機K-302A/B由國內某公司生產，型號為4M20-198/0.1-6.5，兩級對稱雙吸雙排平衡型往復式氣體壓縮機。機組設置兩個強制潤滑系統：一是傳動部分（曲軸、十字頭）；二是工作部分（氣缸、填料函）潤滑系統。該機組的每個氣缸套和填料函都采用了循環軟化水冷卻系統。機組的所有吸氣閥均裝有氣量調節器，分為0%、50%、100%三個檔次。

　　壓縮機主要技術規范：

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

　　壓縮機

　　（1）流量             11000Nm3/min

　　（2）前一級吸氣壓力   0.01MPa(G)

　　后一級吸氣壓力   0.01MPa(G)

　　（3）前一級排氣壓力   0.18MPa(G)

　　后一級排氣壓力   0.18MPa(G)

　　（4）前二級吸氣壓力   0.18MPa(G)

　　后二級吸氣壓力   0.18MPa(G)

　　（5）前二級排氣壓力   0.65MPa(G)

　　后二級排氣壓力   0.65MPa(G)

　　（6）前一級吸氣溫度   40℃

　　后一級吸氣溫度   40℃

　　（7）前一級排氣溫度   107℃

　　后一級排氣溫度   107℃

　　（8）前二級吸氣溫度   40℃

　　后二級吸氣溫度   40℃

　　（9）前二級排氣溫度   112℃

　　后二級排氣溫度   112℃

　　（10）各級缸徑        910/585 mm

　　（11）活塞行程        280mm

　　（12）曲軸轉速        375r/min

　　主電機

　　（1）型式      增安型三相異步電動機

　　（2）額定功率           1250kW

　　（3）額定電壓           10000V

　　（4）額定電流           125.3A

　　（5）轉速（額定轉速）   375r/min

　　三、連桿斷裂故障描述

　　2020年12月11日15∶18時，柴油加氫裝置解析氣壓縮機K-302A在切機運行過程中，突然出現機組振動，隨即曲軸箱振動探頭聯鎖停機，運行人員在現場觀察到曲軸箱有冒煙現象。在緊急切機后，具備檢修條件，維護人員打開曲軸箱蓋，發現后一級連桿螺栓已斷裂，另一條滑扣螺母與桿粘死，連桿大頭瓦巴士合金脫層燒熔。最終用角磨機切斷粘死螺栓才將連桿取出。

　　四、分析檢查

　　通常我們認為，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高應力區域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。合金鋼雖具有很高強度，但對應力集中很敏感。所以，在連桿外形、過度圓角等方面需嚴格要求，還應注意表面加工質量以提高疲勞強度，否則高強度合金鋼的應用并不能達到預期效果。連桿螺栓承受很大的交變載荷，是運動機構中受力情況最嚴重的零件。它要有足夠的抗拉強度和抗疲勞性，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，出現偏磨、燒研。

　　（6）連桿油路堵塞，不過油。

　　根據當時檢修情況，連桿螺栓與連桿接觸支撐面均用油石研磨，可以排除（1）項因素；

　　連桿螺母均采用隨機扭矩扳手統一上緊，力矩相同，可以排除（2）項因素；

　　本機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）項因素；

　　檢查本機運動機構潤滑系統：本機的運動機構（曲軸、連桿、十字頭等）采用強制潤滑。整個潤滑油系統由軸頭泵和稀油站及管路組成。稀油站由輔油泵、雙聯過濾器、冷卻器、安全閥及溢流閥等組成。潤滑油由機身內的進油管進入各軸承蓋，經過主軸承潤滑主軸頸并進入曲軸上的油孔，經過連桿體內油孔流向十字頭銷并潤滑十字頭滑板，油系統通暢，可以排除（6）項因素；

　　檢查檢修記錄，連桿大頭瓦間隙在技術要求范圍內，排除（5）項因素；

　　檢查開車程序，開機前先啟動輔助油泵潤滑各摩擦部位，當油壓＞0.25MPa(G)，壓縮機主電機可以啟動。壓縮機工作中，如果油壓≥0.4MPa(G)時報警手動停輔助油泵，油壓≤0.25MPa(G)時報警啟動輔助油泵，油壓≤0.15MPa(G)時主電機立即停機，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節閥進行調整，油泵的供油壓力應為0.35～0.4MPa(G)。機身內的油位高度可以從機身上的油位指示器上觀察，最高油位應不至于接觸曲軸、連桿；最低油位應保證吸油口不露出油面，本機機身油池最大注油量約為325升。本機油池采用恒溫電加熱器，當油溫≥0℃時允許開輔助油泵，當油溫≥10℃時允許開啟壓縮機。開機程序符合廠家要求，油路運行正常，不會出現供油不足或中斷。

　　本機嚴格按照廠家要求，運動部件潤滑油選用GB12691-90標準中規定的L-DAB 100壓縮機油

　　粘度 (40℃)       90～110mm2/S

　　閃點 (開口)       ≥205℃

　　傾點             ≤-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號鋼，瓦面為軸承合金，兩端翻邊做軸向定位，大頭孔內側表面鑲有圓柱銷，用于大頭瓦徑向定位，防止軸瓦轉動。連桿小頭及小頭襯套為整體式，襯套材料為錫青銅。連桿體內沿桿體軸向鉆有油孔，并與大小頭瓦背環槽連通，潤滑油經環形槽并通過軸瓦上的徑向油孔實現對曲柄銷的潤滑。為確保連桿安全可靠地傳遞交變載荷，連桿螺栓緊固時，均采用扭矩扳手緊固，有足夠預緊力保證，其預緊力的大小通過測量連桿螺栓緊固后的伸長量，達到技術要求。檢修時時采用的是隨機所帶的螺栓伸長量測量專用工具進行測定，在檢修螺栓緊固上沒有問題。查閱廠家技術規范，在連桿使用周期有要求，連桿螺栓工作時間累積超過16000小時，必須報廢更換。但本機組運行周期已經超過四年，雖經過一次大修，但未按照廠家要求，到周期未更換連桿螺栓，認為經過著色探傷沒有問題，就超期使用。

　　通過對螺栓的斷口形貌進行了分析，對其化學成分，顯微組織和硬度等進行了理化分析。斷裂連桿螺栓的組織分布不均勻，夾雜物較多，力學性能下降，在交變載荷作用下，最終發生早期疲勞失效。通過金相組織、掃描電鏡等的檢驗分析，結果表明，在交變載荷的作用下，該壓縮機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，最終導致軸瓦燒壞。

 

　　六、壓縮機維護注意事項

　　通過本次連桿螺栓斷裂暴露出往復式壓縮機核心易損件到期必須進行更換的問題的嚴肅性，最終經各級部門討論，優化了機組檢修方案。

 

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