二氧化碳壓縮機低壓缸二段出風筒開裂案例分析

趙錚，王利勇

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 壓縮機設計參數

該二氧化碳機組設計為低、高壓缸，采用汽輪機拖動,低、高壓缸間使用齒輪箱變速，各缸間采用膜片聯軸器，使用公共底座。低壓缸二段6 級，高壓缸二段5 級，介質氣為二氧化碳含量98.8%，其余微量氮氣、一氧化碳、氫氣、甲醇，工作轉速：5480rpm（低壓缸）、11084rpm（高壓缸）。

2 壓縮機風筒開裂情況

（1）低壓缸二段出風筒彎頭處出現裂紋。初始裂紋長度約150mm，停機前裂紋擴大約210mm（圖1）。

（2）低壓缸二段出風筒法蘭及配對法蘭斷開后，存在不對中有應力的情況(圖2)。

（3）二段出風筒后管路彈簧支架，1#彈簧支架載荷過大，位移量在極限，2#彈簧支架載荷支撐柱偏移（圖3）。

（4）該機組頻發喘振問題。通過控制系統歷史趨勢查詢，機組多次發生喘振問題。

3 排查方向

根據現場收集、反饋資料，分析問題原因前從以下方面排查。

3.1 排查是否材質存在缺陷或焊接存在質量問題

復查二段出風筒出廠檢查記錄（包括：材料、生產加工、水壓氣密試驗等），符合API、國標、風標等相關標準規定，根據紀錄顯示，出廠為合格產品，不是造成風筒裂紋的原因。

3.2 排查設計結構、風筒應力及強度、管口最大力及力矩等是否存在問題

（1）風筒設計結構經過復核，滿足設計規范及使用要求。同設計結構產品，在其他用戶現場使用，風筒未發生裂紋問題。該設計結構產品，經過相關檢查合格出廠，在正常使用過程中，不會發生問題。

圖1

圖2

圖3

（2）復查風筒應力及強度滿足要求，根據三維建模分析，最大應力部位在“天圓地方與下機殼焊接處”，而此處部位沒有發生裂紋問題。反之，說明風筒該設計結構下、按照此焊接工藝，正常使用情況下是不會發生開裂問題。

（3）重新核算管口最大力及力矩滿足要求，與原設計數據基本一致。

（4）風筒結構由法蘭、彎板、筋板、彎頭組成，其中彎頭為外購件，形式為整體件或拼焊件均符合標準，經過消應力等檢查工序合格后進行端面焊接等工作。經過著色、探傷、水壓等檢查合格。且經過力學報告，應力、強度均滿足要求。

（5）設備工廠標準FB44077 中，允許彎頭采用鋼板壓成兩個半圓的焊接方式，且由焊接評定及工藝方案。

4 原因分析

4.1 異常振動及外力“拉拽”，造成風筒出現裂紋

根據現場檢查，風筒法蘭處存在應力，管道彈簧支架存在問題，直接反應情況是，風筒法蘭處，反壓縮機方向有非垂直向下的力。根據現場反饋，機組存在頻發喘振的現象，導致風筒在外力“拉拽”下且疲勞使用，易造成風筒開裂問題。

4.2 風筒處存在“十字焊縫”，應力集中，易造成風筒開裂

從表面上看，裂紋位置為二段出風筒靠近彎頭立筋端部位置，并以立筋端部為中心向兩端延伸。在清理裂紋的過程當中發現，立筋端部位置的裂紋最深，兩側延伸的裂紋深度不斷減小，可斷定裂紋源應該為立筋端部位置。立筋端部在焊接后容易產生應力集中，并且立筋端部距離彎頭縱向焊縫較近一定程度上增加了產生應力集中的概率。壓力容器標準中明確規定:(1)承壓部件不允許存在“十字焊縫”；(2)十字焊縫的縱向或橫向焊縫間距≥100mm，即允許T 型焊縫。

4.3 風筒筋板焊縫與彎板縱縫重疊的說明（十字焊縫）

（1）焊殼的風筒在設計加工過程中，出于對彎板壓型加工過程中可行性的考慮，設計成兩側對稱的結構，便于對板材壓型施工，由于后期環縫的存在，不可避免地會造成在焊接過程中出現十字交叉焊縫。

（2）風筒對接縱縫、環縫，在焊接后按照工廠標準FB05006 要求均進行100%X 射線探傷檢查和著色探傷檢查，符合ASME 第VIII 卷規定要求，能夠確保焊縫的內部以及外部外觀質量要求。

（3）風筒筋板焊縫是在風筒完成100%X 射線與著色檢查后再進行拼裝焊接，在此期間包括工件轉運、X 射線檢查等工序，歷時周期約7 ～10 天，對接縱縫與環縫起到了自然時效的效果。

（4）焊殼焊接完成后，會進熱處理爐消應力處理，保證焊接過程中產生的應力得到良好的釋放。

（5）該結構型式的焊接機殼，廠家已有超過1000 套的業績，均未發生類似問題。

綜上所述，該筋板處的焊接應力集中問題不是造成本次彎頭開裂的主要原因。

5 總結

從目前分析發生該問題主因：機組低壓缸二段出風筒，可能由于安裝原因，在風筒法蘭處存在應力，配對法蘭后續管路彈簧支架存在載荷過大及載荷支柱偏心，此狀態下，對壓縮機“風筒”而言，存在一個反方向非垂直向下的外力“拉拽”。另機組頻發喘振問題，加大風筒處振動，二段出風筒在此工作狀況下，彎頭處發生開裂。

次因：風筒上“彎頭”“天圓地方”“立筋”，組合焊接后存在“十字焊縫”。在標準上沒有規定絕對不允許使用，但因存在應力集中現象，在“外力作用下”會加劇風筒開裂。

6 建議

（1）重新復核管路應力，確保風筒法蘭處無應力連接，更改后的氣管路滿足標準要求。

（2）重新復核管路彈簧支架，選用滿足使用要求的彈簧支架，確認合理的安裝位置。

（3）由于機組頻發喘振屬于非正常現象，振動值迅速增加，二段出風筒在疲勞工作狀態下易發生開裂，建議調整工藝流程，確保進入壓縮機的氣源接近設計條件。

（4）風筒上彎頭建議更換為整體鍛件的結構，避免與“天圓地方”“立筋”組合后存在十字焊縫，有造成應力集中的隱患。

（5）為了保證焊縫的焊接質量，防止出風筒焊后產生偏差，無法確保與配對風筒的密封連接，確保風筒焊接后的殘余應力能得到充分釋放及風筒進行水壓及氣密試驗保證長期使用，建議下機殼返回原廠修復處理。