4M50型往复压缩机活塞杆断裂原因分析

詹培德 王建军 刘 兆 周柏林 田兰君 宋 杨

（兰州石化设备维修公司 兰州）

4M50型往复压缩机是兰州石化连续重整装置的关键设备，主要用于重整装置石脑油加氢，其运转情况直接影响到重整装置能否正常运行。由于活塞杆断裂直接引发其他部件连锁性破坏，给生产带来严重影响。4M50型往复压缩机压缩介质为氢气，为4列4缸对置平衡型压缩机，转速300 r/min，轴功率2900 kW，循环水耗量58.3 m3/h，行程400 mm，气缸循环水26.2 m3/h，电机功率3200 kW，电机转速300 r/min。

二、故障分析

1.故障

连续重整装置循环氢增压机4M50型主轴承温度故障报警；4M50型压缩机出口流量由21 300 m3/h逐渐降至11 000 m3/h，同时 D-201压力急剧上涨，其放空阀打开并开始向火炬泄压，随后重整外操人员发现，重整循环氢增压机振动增大并伴有较大噪声，决定紧急停运。

检修人员对设备进行检查处理，发现断裂位置位于活塞杆细杆和十字头销连接根部，断裂时操作工况正常。但由于停机过程稍长，活塞杆断口受到撞击，无法观察断口裂纹形貌。

2.设备履历

压缩机自2007年大修结束至今累计运行时间14 985 h，其中2007年10月大修中更换一段北缸连杆小头瓦1套，更换活塞杆4根。从统计数据看，一段北缸断裂活塞杆系2007年10月大修中更换，累计运行14 985 h即断裂。一般要求大型往复压缩机应连续运行2年以上，且运行时间＞95%即16 000 h，故基本可以排除由于失修而引起的断裂。

3.原因分析

图1 活塞杆与十字头装配图

（1）十字头与活塞杆液压紧固原理。液压式联接器的原理是利用手动超高压油泵产生的高压油从油泵高压接头进入腔室，所产生的压力作用在压力体上，进而作用在活塞杆肩部，使活塞杆在长度上产生紧固所需的初始伸长，将紧固螺母旋入十字头端部实现机械定位。卸压后由于活塞杆的弹性变形所产生的巨大弹性预紧力，紧紧作用在压力体和锁紧螺母之间的连接螺纹上，使螺纹副不可能相对转动，从而实现了十字头与活塞杆的连接。

（2）活塞杆断口宏观观察（图2）。通过观察发现活塞杆断裂面垂直于轴线方向，断裂面有明显的压痕形貌，说明在断裂后又发生挤压，导致活塞杆断裂面遭受破坏，无法观察是否有疲劳裂纹，但从断口形貌拉看，初步推断活塞杆应为疲劳断裂。因为如果是正拉断形式断裂，在断口的周围将产生明显的颈缩现象。如果材料的脆性很大活塞杆产生脆断，这时断口与轴线垂直，并且断口周围无明显变形。而实际活塞杆的材料是42CrMoE，是调质结构钢，不是脆性材料，心部又经过调质处理，表面经过高频淬火处理，其综合力学性能比较好，在现有工况下使用不会产生脆断。所以从活塞杆断口周围变形的状况可以推测，活塞杆应是疲劳断裂。

活塞杆与止推环接触部分有翻边现象，故可推断活塞杆与十字头安装打压过程中可能会出现油压超标或油压不足的情况。若油压超标会使活塞杆预拉伸量超标，紧固螺母后，活塞杆预拉伸部分会产生超标的拉应力，此应力为过载持续张量，会使活塞杆材料迅速屈服，直至疲劳断裂。若预紧力不够会造成交变力增大，会增大疲劳裂纹的产生速度，造成疲劳断裂。

图2 活塞杆断口面损伤形貌

4.断口分析

（1）活塞杆金相分析。取活塞杆横截面为检验面，机械抛光，4%硝酸酒精溶液侵蚀后在金相显微镜下观察其显微组织形貌。通过低倍显微观察可发现在靠近断口边缘以及芯部横截面上未见缩孔、裂纹、白点。高倍观察发现断口边缘以及芯部金相组织为回火索氏体，组织结构均匀致密。材料内部组织结构不存在明显缺陷。

（2）化学成分分析。选取失效活塞杆纵截面为检验面，机械抛光对材料做了化学成分分析。化学分析结果与GB/T 3007-1999中的标准成分对比如表1所示。由表1可见，断裂活塞杆的化学成分完全符合标准规定，可以排除材料误用或材料质量差导致的断裂。

表1 非金属含量对比表

（3）力学性能试验。材料断裂部位心部及边缘进行维氏硬度试验，试验中心部及边缘各取3个点，其中边缘强度分别为256.5、255.5、263.0，芯部强度分别为 254.5、262.5、263.0，对应硬度均＞61.5 HRC，测试结果表明心部及边缘无硬度不均现象且强度符合设计标准。

将材料加工为两个部分进行金属夏比缺口冲击试验，将工件分3部分进行试验，试验结果同为32 kV2/J。对应Aku为64。试验结果表明冲击强度基本符合要求，但强度仅达到材料要求数值。将材料进行拉伸试验，其中抗拉强度为1083 MPa，屈服强度为940 MPa，试验结果表明材料抗拉及屈服强度符合要求。

（4）活塞杆表面粗糙度。通过观察可以发现活塞杆表面能够微见车削加工痕迹（图3），故表面粗糙度最低也在Ra3.2，而根据JB-T 9105-1999中规定活塞杆表面粗糙度应≤Ra3.2，故认为活塞杆表面粗糙度不符合要求。

通过以上分析表明活塞杆组织成分无问题，但断裂面表明粗糙度并未达到要求。活塞杆与十字头虽为预紧力连接，但在运动过程中还是会发生微动，所以活塞杆断裂有可能是由于发生微动疲劳导致的断裂。为确定活塞杆是否为疲劳断裂，故对活塞杆进行力学分析，确定活塞杆设计是否达到工况要求。

图3 活塞杆断裂部位车削痕迹

5.力学分析

活塞杆在工作过程中（图4），所受外力有气体压力F1，活塞及十字头与气缸摩擦力F2，往复惯性力I。活塞杆上总作用力为F=F1+F2+I。其中摩擦力F2由于在活塞杆杆工作中所占比例较小，可忽略不计。（相关校核计算略）。

图4 曲柄连杆机构示意图

三、综合分析

活塞杆是在交变载荷作用下发生的低应力微动疲劳断裂，活塞杆断裂与活塞杆材料的化学性能和力学性能无关，活塞杆设计符合实际工况要求。活塞杆细杆部分表面粗糙度不符合要求，在检修时可能出现打压不足现象，活塞杆在断裂前检修时有可能已经发生塑性变形。

由此可判定，断裂是在交变载荷作用下发生的微动疲劳，同时在检修过程中，出现过打压不足或打压超标现象。