4M50型往復壓縮機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

（蘭州石化設備維修公司 蘭州）

4M50型往復壓縮機是蘭州石化連續重整裝置的關鍵設備，主要用于重整裝置石腦油加氫，其運轉情況直接影響到重整裝置能否正常運行。由于活塞桿斷裂直接引發其他部件連鎖性破壞，給生產帶來嚴重影響。4M50型往復壓縮機壓縮介質為氫氣，為4列4缸對置平衡型壓縮機，轉速300 r/min，軸功率2900 kW，循環水耗量58.3 m3/h，行程400 mm，氣缸循環水26.2 m3/h，電機功率3200 kW，電機轉速300 r/min。

二、故障分析

1.故障

連續重整裝置循環氫增壓機4M50型主軸承溫度故障報警；4M50型壓縮機出口流量由21 300 m3/h逐漸降至11 000 m3/h，同時 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現，重整循環氫增壓機振動增大并伴有較大噪聲，決定緊急停運。

檢修人員對設備進行檢查處理，發現斷裂位置位于活塞桿細桿和十字頭銷連接根部，斷裂時操作工況正常。但由于停機過程稍長，活塞桿斷口受到撞擊，無法觀察斷口裂紋形貌。

2.設備履歷

壓縮機自2007年大修結束至今累計運行時間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。從統計數據看，一段北缸斷裂活塞桿系2007年10月大修中更換，累計運行14 985 h即斷裂。一般要求大型往復壓縮機應連續運行2年以上，且運行時間＞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。液壓式聯接器的原理是利用手動超高壓油泵產生的高壓油從油泵高壓接頭進入腔室，所產生的壓力作用在壓力體上，進而作用在活塞桿肩部，使活塞桿在長度上產生緊固所需的初始伸長，將緊固螺母旋入十字頭端部實現機械定位。卸壓后由于活塞桿的彈性變形所產生的巨大彈性預緊力，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動，從而實現了十字頭與活塞桿的連接。

（2）活塞桿斷口宏觀觀察（圖2）。通過觀察發現活塞桿斷裂面垂直于軸線方向，斷裂面有明顯的壓痕形貌，說明在斷裂后又發生擠壓，導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，初步推斷活塞桿應為疲勞斷裂。因為如果是正拉斷形式斷裂，在斷口的周圍將產生明顯的頸縮現象。如果材料的脆性很大活塞桿產生脆斷，這時斷口與軸線垂直，并且斷口周圍無明顯變形。而實際活塞桿的材料是42CrMoE，是調質結構鋼，不是脆性材料，心部又經過調質處理，表面經過高頻淬火處理，其綜合力學性能比較好，在現有工況下使用不會產生脆斷。所以從活塞桿斷口周圍變形的狀況可以推測，活塞桿應是疲勞斷裂。

活塞桿與止推環接觸部分有翻邊現象，故可推斷活塞桿與十字頭安裝打壓過程中可能會出現油壓超標或油壓不足的情況。若油壓超標會使活塞桿預拉伸量超標，緊固螺母后，活塞桿預拉伸部分會產生超標的拉應力，此應力為過載持續張量，會使活塞桿材料迅速屈服，直至疲勞斷裂。若預緊力不夠會造成交變力增大，會增大疲勞裂紋的產生速度，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面，機械拋光，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現在靠近斷口邊緣以及芯部橫截面上未見縮孔、裂紋、白點。高倍觀察發現斷口邊緣以及芯部金相組織為回火索氏體，組織結構均勻致密。材料內部組織結構不存在明顯缺陷。

（2）化學成分分析。選取失效活塞桿縱截面為檢驗面，機械拋光對材料做了化學成分分析。化學分析結果與GB/T 3007-1999中的標準成分對比如表1所示。由表1可見，斷裂活塞桿的化學成分完全符合標準規定，可以排除材料誤用或材料質量差導致的斷裂。

表1 非金屬含量對比表

（3）力學性能試驗。材料斷裂部位心部及邊緣進行維氏硬度試驗，試驗中心部及邊緣各取3個點，其中邊緣強度分別為256.5、255.5、263.0，芯部強度分別為 254.5、262.5、263.0，對應硬度均＞61.5 HRC，測試結果表明心部及邊緣無硬度不均現象且強度符合設計標準。

將材料加工為兩個部分進行金屬夏比缺口沖擊試驗，將工件分3部分進行試驗，試驗結果同為32 kV2/J。對應Aku為64。試驗結果表明沖擊強度基本符合要求，但強度僅達到材料要求數值。將材料進行拉伸試驗，其中抗拉強度為1083 MPa，屈服強度為940 MPa，試驗結果表明材料抗拉及屈服強度符合要求。

（4）活塞桿表面粗糙度。通過觀察可以發現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JB-T 9105-1999中規定活塞桿表面粗糙度應≤Ra3.2，故認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到要求。活塞桿與十字頭雖為預緊力連接，但在運動過程中還是會發生微動，所以活塞桿斷裂有可能是由于發生微動疲勞導致的斷裂。為確定活塞桿是否為疲勞斷裂，故對活塞桿進行力學分析，確定活塞桿設計是否達到工況要求。

圖3 活塞桿斷裂部位車削痕跡

5.力學分析

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，往復慣性力I。活塞桿上總作用力為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。（相關校核計算略）。

圖4 曲柄連桿機構示意圖

三、綜合分析

活塞桿是在交變載荷作用下發生的低應力微動疲勞斷裂，活塞桿斷裂與活塞桿材料的化學性能和力學性能無關，活塞桿設計符合實際工況要求。活塞桿細桿部分表面粗糙度不符合要求，在檢修時可能出現打壓不足現象，活塞桿在斷裂前檢修時有可能已經發生塑性變形。

由此可判定，斷裂是在交變載荷作用下發生的微動疲勞，同時在檢修過程中，出現過打壓不足或打壓超標現象。