制氫壓縮機撞缸故障分析及處理

陳忠田

（中國石油獨山子石化公司公共服務公司，新疆 獨山子 833699）

活塞式壓縮機作為容積式壓縮機的一種已廣泛應用石油化工行業，實現介質大流量輸出。 隨著國內設計、研發和制造水平的提高，國內煉化企業使用的活塞式壓縮機逐漸國產化，制氫裝置解析氣壓縮機是由沈陽氣體壓縮機廠生產的臥式兩級壓縮機。該壓縮機在運行過程中巡檢發現一級缸聲音異常振動加劇，出現撞缸故障。停機后解體檢查發現主要部件活塞桿斷裂、 活塞破裂、液壓連接器損壞。通過分析故障原因，對壓縮機活塞桿、液壓連接器、活塞等部件進行維修，排除了影響設備運行故障，保證了設備安全穩定運行。

1 設備概況

制氫解析氣壓縮機是對PSA系統解析出氫氣回收，該壓縮機轉速為371r/min、氣缸直徑860/580mm、活塞行程280mm、功率420kW、流量5227Nm3/h。雙列氣缸采用注油器注油潤滑。主要部件潤滑與API618標準不同，曲軸主軸瓦由油管線單獨潤滑，曲軸大頭瓦由機身油池油泵進行強制潤滑通過十字頭滑道，依次潤滑十字頭、連桿小頭瓦、連桿大頭瓦等運動部件后流回油池。

2 故障原因分析

2.1 現場情況

制氫裝置PSA系統因故障停運，解析氣壓縮機A機改為空負荷運行，運行過程中操作人員發現A機油壓降低，脫鹽水罐液位快速降低。現場發現A機軸頭泵入口法蘭處往外漏油，一、二級缸冷卻水線連接處往外漏水，一級缸體聲音異常振動加劇，現場緊急停機，檢查發現出現一級缸撞缸故障。在壓縮機解體后檢查發現：一級活塞桿斷裂、液壓連接器損壞、一級活塞破裂、一級缸頭螺栓拉伸變形。如圖1、2所示。

圖1 活塞桿斷裂

圖2 液壓聯接器損壞

2.2 原因分析

（1）活塞桿與十字頭連接液壓連接器。如圖3所示，該壓縮機活塞桿與十字頭連接采用液壓連接器。液壓式連接器的是使用液壓泵加壓產生的高壓液壓油，通過壓力體上的高壓接頭進入密封腔體，液壓油通過環形活塞上，在壓力體上產生壓力，進一步作用在活塞桿上，使細活塞桿出現彈性變形伸長，使用勾頭扳手緊固鎖緊與十字頭斷面貼合。釋放液壓油壓力后，活塞桿彈性變形產生的的彈性預緊力作用在鎖緊螺母與壓力體的連接螺紋上，螺紋產生緊力，達到十字頭與活塞桿緊固連接，確保在往復運行中不脫開。

檢修時，壓力體打壓150MPa保壓30分鐘（廠家要求標準≤150MPa)，使細活塞桿彈性變形部位伸長，然后旋轉鎖緊螺母4使之與十字頭端面貼緊。卸壓后，活塞桿彈性變形部位收縮，鎖緊螺母4與壓力體7之間的螺紋產生預緊力，使活塞桿與十字頭牢固連接。

（2）活塞桿與十字頭裝配部位。一級活塞桿與十字頭裝配部位如圖4所示，彈性變形處為φ31.86mm細活塞桿，斷裂處為φ32.89mm細活塞桿。活塞桿彈性變形部位為與壓力體配合處，該段細活塞桿的直徑確定要合適工況要求，直徑過大活塞桿彈性變形產生困難，直徑過小活塞桿的強度和連接預緊力不夠。細活塞桿的加工長度既要符合加工要求還要符合工況要求，過長增加活塞桿結構尺寸，過短活塞桿彈性變形產生不夠。總之要根據連接件所需要的預緊力的大小而確定，在結構尺寸確定的情況下，打壓要按照標準操作，過大壓力會使細活塞桿彈性變形降低直至失去彈性。

圖4 一級活塞桿與十字頭裝配部位

如圖1所示，活塞桿斷裂部位在止推環與活塞桿配合處，觀察斷口發現。活塞桿的截面與活塞桿軸線方向垂直，且斷裂面具有明顯的擠壓痕跡存在，壓痕的產生是由于活塞桿斷裂后，十字頭繼續運動，對斷面的沖擊擠壓所致，由此可以初步判斷活塞桿斷裂應為疲勞斷裂。通過查看設備資料，該活塞桿材質為42CrMo，材質屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，同時活塞桿斷裂如果是由于材料變脆而斷裂，斷口周圍不會出現均勻的變形區域。從以上斷口和材質性能分析判斷活塞桿斷裂應屬于疲勞斷裂。

如圖1所示，活塞桿與止推環接觸部分有翻邊現象，可初步判斷活塞桿與十字頭回裝過程中，液壓泵打壓壓力出現偏離情況。打壓超標會使活塞桿伸長量超標，活塞桿拉伸部位產生超標的拉應力持續作用會使活塞桿材料迅速屈服出現疲勞斷裂。打壓不夠就滿足不活塞桿與十字頭連接所需要的預緊力，活塞桿往復運行中交變力增大，加大疲勞裂紋的產生速度，造成疲勞斷裂。

3 綜合分析

該設備自投用20多年，每次中修都需要拆卸、安裝液壓連接器，幾十次的打壓活塞桿的彈性變形長度將會發生變化，每次都按照150MPa標準來會出現打壓不足或打壓超標現象，活塞桿的彈性變形部位可能已經出現塑性變形。如圖3所示，當發生活塞桿出現塑性變形時，鎖緊螺母4與壓力體7之間的螺紋預緊力不足，交變載荷增大，當十字頭向曲軸側運動時，交變載荷全部通過止推環9作用在活塞桿10，所以在活塞桿應力集中的凸臺處出現疲勞斷裂。活塞桿斷裂后，十字頭繼續運動，沖擊活塞桿使之與缸頭相撞，造成活塞出現裂紋，缸頭螺栓變形拉長，液壓連接器損壞。

4 故障處理及結論

由于出現撞缸故障，該壓縮機需要大修處理，除按照檢修規程要求進行檢修外還應重點做好以下幾點檢修工作。（1）新活塞桿使用專用工具150MPa壓力打壓3次保壓1個小時，檢查活塞桿彈性變形處是否出現塑性變形。（2）連桿大頭瓦安裝后，連桿緊固螺栓按照131.5MPa壓力緊固到位，要求其伸長量為0.53±0.04mm，所以在回裝大頭瓦前，需使用專用工具做打壓試驗，合格后方可回裝。（3）連接活塞桿與活塞時，首先旋轉活塞桿螺母保證兩活塞完全貼合，再使用電加熱棒加熱活塞桿使活塞桿螺紋伸長、旋轉螺母待冷卻后起到預緊作用。（4）按照廠家提供的壓縮機主要連接部位螺栓緊固力矩表，對活塞桿螺母、機身與接筒連接螺栓、連桿螺栓、曲軸聯軸器螺栓等重要緊固部位，使用力矩扳手按照標準緊固。（5）按照廠家提供的壓縮機各部位裝配間隙表，調整主軸承徑向間隙、連桿大頭瓦徑向間隙、連桿小頭襯套徑向間隙等配合間隙達到標準要求。通過有效的檢修方法進行故障處理，消除壓縮機故障，實現設備安穩長運行，同時為同類設備避免撞缸故障發生提供經驗。