新氢压缩机十字头销断裂的原因分析及应对措施

潘 强，韩维涛，徐卫忠，杨 达

（中国石油克拉玛依石化公司，新疆克拉玛依834000）

新氢压缩机十字头销断裂的原因分析及应对措施

潘 强，韩维涛，徐卫忠，杨 达

（中国石油克拉玛依石化公司，新疆克拉玛依834000）

针对克拉玛依石化公司1.2×106t/a柴油加氢改质装置，新氢压缩机运行过程中发生的十字头销断裂事故进行了原因分析和总结，分别对十字头销材质42Cr-Mo钢断口部位进行化学成分分析、理化试验、着色检查和力学性能测试，运用弹性力学中的圆孔孔边应力集中理论分析出了十字头销断裂的根本原因，总结出了十字头销断裂时的3个表征现象和应对措施，为今后同类装置处理类似问题提供借鉴和参照。

新氢压缩机；十字头销；应力集中；断裂

1 引言

克拉玛依石化公司1.2×106t/a柴油加氢改质装置设置2台新氢压缩机组（K-3101A/B），是装置生产运行的核心设备，运行条件是一开一备，其作用是保证系统氢气压力，参与加氢反应。十字头销是连接压缩机连杆和十字头体的关键部件，通过曲轴上的曲柄连杆机构将压缩机的曲轴和十字头体连接在一起。在工作中十字头销承受剪切交变应力，一般很少发生断裂，查阅国内相关资料文献，有关十字头销断裂的事故极少发生。目前仅有1例发生在茂名石化炼油厂渣油加氢装置的同一台机组上，该机组在1999年12月至2001年7月试车近一年半的时间里相继发生过3次十字头销断裂的事故。除此之外，国内文献几乎检索不到十字头销断裂事故的报道。十字头销一旦发生断裂轻则造成压缩机停机，严重会造成人身伤亡的重大事故，特别是在重大化工、石油等工业中，十字头销的断裂将会影响生产的顺利进行，造成巨大的经济损失。十字头销断裂时，如果没有相关依据和标准作为参照，事故很难在第一时间内发现，等发现机组声音和振动异常时，事故已经发展到了比较危险的破坏性阶段。本文对克拉玛依石化公司1.2×106t/a柴油加氢改质装置发生的2起断裂事故的原因进行了分析和总结，运用弹性力学中的圆孔孔边应力集中理论找出了十字头销断裂的根本原因，总结出了十字头销断裂初期的3个表征现象和应对措施，为国内同类装置处理类似问题提供了借鉴和参照依据。

2 故障概况

新氢压缩机组（K-3101A/B）设计参数如下：采用3列对置不平衡固定式水冷机组设计，3列3级压缩，吸气压力：一级1.98 MPa、二级3.94 MPa、三级7.42 MPa；排气压力：一级4.06 MPa、二级7.65 MPa、三级13.20 MPa；设计 排 气量 ：34000 Nm3/H；电机功率：3150 kW。

2013年12月至2014年1月，克拉玛依石化公司1.2×106t/a柴油加氢改质装置新氢压缩机K-3101/B在一个月的时间里，接连发生了2起十字头销断裂事故，2次断裂事故断口均在油孔处开裂，见图1所示。

第一次断裂事故：2013年12月14日凌晨01：00，新氢压缩机K-3101/B曲轴箱附近发生剧烈的声响，机身振动值比以往增大数倍，由于备用机组K-3101/A正在进行中修，K-3101/B机组紧急停机，装置被迫紧急停工。停机后拆检发现该机组一级缸的十字头销在其油孔处发生断裂，断口部位如图1所示，十字头销断裂后沿轴向被弹出，与十字头舱内壁产生剧烈碰撞，舱内壁有被撞击后产生的凹坑，被撞碎的金属颗粒杂质沿十字头滑道进入曲轴箱，造成曲轴箱内油质污染，取油样铁谱分析发现润滑油中金属磨粒增多。

第二次断裂事故：发生在2014年1月17日12：40分，表征现象和第一次事故相似，由于有了第一次事故的表征现象作为参照和判断，本次事故发生时判断和处理都较为及时，事故处理时间大大缩短，故此次事故未扩大化，紧急切换机组，装置平稳运行。

停机后查阅DCS数据画面趋势显示十字头销断裂后有3个表征现象：

（1）机身曲轴箱振动值跳跃式增大到原来的数倍；

（2）润滑油总管油压由于十字头销断裂后4个油孔处的油压被突然泄放，油路背压减小，润滑油总管油压降低；

（3）润滑油过滤器压差逐渐增大，润滑油过滤器压差大致等于过滤器前的轴头泵出口压力减去过滤器后的润滑油总管油压，由于十字头销断裂后引起润滑油总管油压降低，而此时轴头泵出口压力未变，所以润滑油过滤器压差增大。

该十字头销材料为42CrMo钢，热处理状态为850℃淬火+560℃回火。为了防止十字头销再次发生断裂事故，本文对其断裂原因进行了失效分析。

图1 十字头销断口部位

3 断裂原因分析

3.1 材料成分分析

从断裂的十字头销上取样进行化学分析，各主要化学成分含量分析结果与规定值的比较见表1。

由化学成分可知，材料的宏观成分符合GB 3077-82中的42CrMo钢材料的规定值，可以确定材料为42CrMo钢。

3.2 断口分析

通过对实物断口的理化试验和机械性能测试，并对断裂部位进行着色检查，发现在十字头销油孔的锐倒角处存在裂纹（见图2），随着反复受交变应力作用，裂纹逐步扩展，先扩展至离表面15 mm深度，长度约为表面周长的1/2（见图片颜色较深部位），接着扩展至截面积的5/6（见图片比较平整面），最后是突然的撕裂（见图片有凸起的台阶处）。

表1 材料化学成分（wt%）

表2 力学性能试验数据

按照弹性力学中的圆孔孔边应力集中理论，设计图纸要求在孔口应该是倒圆角并抛光，见图3，但实物是孔口处倒了45°角，见图4（非圆角），并且表面没有经过抛光，不符合设计图纸要求，即本次事故的根本原因是十字头销油孔未按图纸进行倒圆角和抛光，在该处造成了应力集中产生疲劳裂纹，裂纹产生后，应力集中更进一步导致了裂纹的快速扩展，直到最终十字头销的断裂失效。

3.3 力学性能试验分析

从故障件上取样进行力学性能试验，试验结果如表2所示，试验数据表明，该材质各项力学性能指标均合格。

4 十字头销断裂应对措施

4.1 预防措施

（1）DCS上将曲轴箱机身振动、润滑油总管油压、过滤器压差集中组态成一个趋势图画面，内操对该趋势图画面进行专屏监控，如发现趋势异常时，看是否符合十字头销断裂的3个表征现象，及时进行分析判断，应急处理，防止事故扩大化。

图2 断口照片

图3 设计图纸要求

图4 实际油孔倒角

（2）由于十字头销断裂后沿轴向被弹出，与十字头舱内壁剧烈碰撞，被撞碎的金属颗粒杂质沿十字头滑道进入曲轴箱，造成曲轴箱内油质污染，一旦十字头销断裂后，需要及时对曲轴箱内的润滑油进行化验分析，及时更换曲轴箱内的润滑油。

（3）联系生产厂家将2台机组的6台十字头销全部召回，更换上按原设计图纸设计制造的十字销，并要求生产厂家提高产品加工过程的质量控制和出厂检验标准。

（4）DCS画面上将曲轴箱机身振动设置高报、高高报，为正常值的120%、140%，一旦机组发生振动报警，及时判断分析原因。

4.2 应急措施

十字头销断裂后其连接的活塞一旦飞出，可能引起压缩机缸体开裂，造成氢气大量泄漏，引发严重后果，所以需要做好紧急停机准备。出现十字头销断裂的3个表征现象，同时ESD上的可燃性气体声光报警（可能缸体已开裂），从监控视频上发现压缩缸体明显振动加工、开裂等异常情况时必须在中控室辅操台上按紧急停机按钮停机，压缩机房内禁止人员进入，停机后装置按“新氢中断”开展其它应急操作。

5 结论

本文通过对2起十字头销断裂事故的原因分析，找出了十字头销断裂的根本原因为其加工制造质量问题引起的油孔表面应力集中产生的微裂纹在长期交变应力作用下导致的最终断裂事故。总结出了十字头销断裂时的3个表征现象及应对措施，有效地指导操作人员在第一时间内发现问题，及时处理，防止事故扩大化，同时为国内同类装置处理类似问题提供了参照和依据。

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Reason Analysis of Hydrogen Compressor Crosshead Pin Fracture and the Countermeasures

PAN Qiang，HAN Wei-tao，XU Wei-zhong，YANG Da
（PetroChina Karamay Petrochemical Company，Karamay 834000，China）

In this paper，aiming at the accidents of crosshead pin fracture during the operation of 1.2×106t/a diesel hydroupgrading hydrogen compressor in Karamay Petrochemical Company，the reason is analyzed and summarized from the points of chemical analysis，physical testing，coloring inspection and mechanical property test for the crosshead pin material of 42CrMo steel fracture parts. The hole stress concentration theory in elastic mechanics is used to analyze the fundamental reason of crosshead pin fracture.Three characterizations of phenomena in crosshead pin fracture and the countermeasures are summarized，which provides reference for dealing with similar problems in similar devices.

hydrogen compressor；crosshead pin；stress concentration；fracture

TH45；TK413.3+2

:B

1006-2971（2014）06-0055-04

潘强（1982-），男，四川内江人，工程师，硕士，现在在中国石油克拉玛依石化公司从事设备技术管理工作，已先后在国家核心期刊和国内论文交流会议上发表论文8篇。E-m a i l：p a nq i a n g@p e t r o c h i n a.c o m.c n

2014-10-21