壓縮機活塞桿斷裂問題分析

龐巖衛 陳輝 馬靜

摘 要：通過對活塞桿進行有限元分析，得出活塞桿所受到的靜應力結果。通過對斷口的宏觀檢驗和掃描電鏡觀察分析出活塞桿產生破壞的類型。結合現場調研及綜合分析，得出活塞桿斷裂的根本原因。為避免今后遭遇類似問題制定有效預防措施，并為今后該類設備的設計、安裝及維護工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：活塞桿；靜應力；疲勞；斷裂

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0078-02

0 引言

往復式壓縮機活塞桿在工作過程中，承受了很大的交變應力，在受到設計、制造、安裝、操作、環境等綜合因素的影響下，很容易產生斷裂。當遇到活塞桿斷裂的情況發生時，需要對各個因素進行逐一的排查，才能找到發生問題的根本原因。某尾氣壓縮機在現場運行僅一個月，便發生了活塞桿的斷裂的問題發生。本文從多方面入手，進行深入的分析，可為今后類似問題的處理提供借鑒和參考。

1 活塞桿斷裂情況

活塞桿的斷裂位置為活塞與活塞桿配合面上加熱孔的根部，如圖1箭頭所示。該處是活塞桿面積最小的地方，且存在因截面尺寸發生變化而引起的應力集中，是活塞桿最薄弱的部分。

2 活塞桿斷裂原因分析及排查

2.1 結構設計合理性評估

活塞桿與活塞采用電加熱孔進行緊固連接已經有成熟的技術與實際運行經驗，全國多數壓縮機的活塞與活塞桿均采用電加熱孔技術進行緊固連接，都運行良好。實踐證明采用電加熱孔技術進行活塞與活塞桿的緊固連接是合理可靠的。

2.2 加熱孔設計評估

活塞桿的電加熱孔的尺寸設計是根據活塞和活塞桿的尺寸參數及其材料性能等參數經過詳細計算得出的，設計合理，能夠提供合理的預緊力，保證深入活塞部分的活塞桿只受拉伸的交變應力，這可以大大提高活塞桿在交變載荷下的使用壽命，使其滿足使用要求。

2.3 活塞桿選材評估

因壓縮機工藝氣體中含有腐蝕性氣體硫化氫（H2S），一般的不銹鋼很難滿足其使用要求，因此根據設計工況下壓縮機工作壓力及工藝氣體各組份含量等因素綜合考慮，活塞桿材質選擇17-4PH沉淀硬化不銹鋼。17-4PH衰減性能好，抗腐蝕疲勞及抗水滴性能強，為目前國內現有的最好，適合于在含有硫化氫氣體的壓縮機中作為活塞桿的材質。

2.4 現場安裝過程評估

安裝現場可能存在安裝疏漏，活塞桿與活塞的連接及活塞桿與十字頭的連接不當會影響活塞桿的使用安全與使用壽命。十字頭與活塞桿未進行二次緊固連接，使得十字頭和活塞桿連接的連接螺母間有間隙量，引起活塞桿與十字頭的連接松動。一旦活塞桿與十字頭或活塞桿與活塞間出現連接螺紋松動問題，就會使活塞桿處于非正常工作狀態。連接松動會使活塞桿受力偏心，使其受到的交變載荷增加，活塞桿受力不均；嚴重的會引起活塞刮碰或撞擊氣缸缸座缸蓋，進而可能會使活塞變形，活塞內活塞桿的預緊力減小，活塞桿受到不均勻的交變應力、撞擊應力。連續異常且很大的交變應力使得活塞桿產生疲勞裂紋，擴展到一定程度，最終導致疲勞破壞。

2.5 工藝條件評估

因在壓縮機實際運行工況下的分液罐中有液體析出，壓縮機工藝氣體可能是濕氣體，在壓縮機工作過程中氣缸內未及時蒸發和排出的液體受到活塞壓縮時，瞬間內出現的巨大壓力會造成受力件的變形和損壞。一旦有液擊現象發生，液擊會對活塞桿產生很大的作用力，能夠在短時間內造成活塞桿斷裂。

2.6 活塞桿受力評估

對活塞桿所受到氣體力進行分析，探討是否由于壓縮機超載導致的活塞桿斷裂。根據現場的中控室的檢測數據，獲得進排氣壓力，介質組分等數據，并進行動力學分析。得出活塞桿所承受的最大氣體力為32.95KN，許用值為80KN，安全系數為2.4。因此，活塞桿受力未超標。活塞桿受力的動態特性曲線，見圖2。

2.7 活塞桿有限元分析

對活塞桿進行三維有限元模型的建立，并設置邊界條件，施加進排氣壓力，模擬活塞實際的工作過程。分析出在實際運行時，活塞桿應力的分布狀況，精確計算出斷裂位置所承受的最大應力（如圖3所示）。經分析，活塞桿說承受的最大應力為365MPa，活塞桿的許用應力為725MPa，安全系數為1.98，應力分析合格。

2.8 斷口的宏觀分析

兩個斷口邊緣均有不同程度的向外翹起，這只能是斷后撞擊產生的變形。但斷裂處整體未見有其他明顯塑性變形（如頸縮），說明活塞桿的斷裂屬于脆性斷裂。如圖4所示。

左側斷口的右上部分可見到一些放射狀棱線（箭頭所指），說明該部分斷口的形成是從內（加熱孔邊緣）向外的，如圖5所示。

左側斷口左邊緣部分的局部放大像圖6，可清楚地看到有幾個弧狀線，如小箭頭1、2、3所示。這些貝殼狀弧線是疲勞弧線（或稱貝紋線），是疲勞斷裂的典型宏觀特征。疲勞弧線是疲勞裂紋擴展到一定程度時留下的痕跡，與另外擴展速率的變化或氧化有關。不同的弧線同時存在說明這些疲勞裂紋起自不同的源，為多源疲勞。多源疲勞常常表明受力比較苛刻。

2.9 掃描電鏡

圖7是與疲勞區斷口（圖6）相對應的掃描電鏡像，可見到很多平行的紋理。圖8是在裂紋形成但還沒有斷開時裂紋開閉造成的，具有疲勞斷裂的特征，這與圖6的分析是一致的。

3 結語

經過對可能產生原因的逐一排查并進行詳細的調查與研究，最終找出了活塞桿斷裂的主要原因。由于安裝活塞時緊固不到位，螺紋松動，導致運行時活塞桿承受了較大的沖擊載荷產生過大的交變應力，使得活塞桿產生疲勞裂紋，擴展到一定程度，最終導致疲勞破壞。

參考文獻

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