压缩机活塞杆断裂问题分析

庞岩卫 陈辉 马静

摘 要：通过对活塞杆进行有限元分析，得出活塞杆所受到的静应力结果。通过对断口的宏观检验和扫描电镜观察分析出活塞杆产生破坏的类型。结合现场调研及综合分析，得出活塞杆断裂的根本原因。为避免今后遭遇类似问题制定有效预防措施，并为今后该类设备的设计、安装及维护工作提供参考和借鉴。

关键词：活塞杆；静应力；疲劳；断裂

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0078-02

0 引言

往复式压缩机活塞杆在工作过程中，承受了很大的交变应力，在受到设计、制造、安装、操作、环境等综合因素的影响下，很容易产生断裂。当遇到活塞杆断裂的情况发生时，需要对各个因素进行逐一的排查，才能找到发生问题的根本原因。某尾气压缩机在现场运行仅一个月，便发生了活塞杆的断裂的问题发生。本文从多方面入手，进行深入的分析，可为今后类似问题的处理提供借鉴和参考。

1 活塞杆断裂情况

活塞杆的断裂位置为活塞与活塞杆配合面上加热孔的根部，如图1箭头所示。该处是活塞杆面积最小的地方，且存在因截面尺寸发生变化而引起的应力集中，是活塞杆最薄弱的部分。

2 活塞杆断裂原因分析及排查

2.1 结构设计合理性评估

活塞杆与活塞采用电加热孔进行紧固连接已经有成熟的技术与实际运行经验，全国多数压缩机的活塞与活塞杆均采用电加热孔技术进行紧固连接，都运行良好。实践证明采用电加热孔技术进行活塞与活塞杆的紧固连接是合理可靠的。

2.2 加热孔设计评估

活塞杆的电加热孔的尺寸设计是根据活塞和活塞杆的尺寸参数及其材料性能等参数经过详细计算得出的，设计合理，能夠提供合理的预紧力，保证深入活塞部分的活塞杆只受拉伸的交变应力，这可以大大提高活塞杆在交变载荷下的使用寿命，使其满足使用要求。

2.3 活塞杆选材评估

因压缩机工艺气体中含有腐蚀性气体硫化氢（H2S），一般的不锈钢很难满足其使用要求，因此根据设计工况下压缩机工作压力及工艺气体各组份含量等因素综合考虑，活塞杆材质选择17-4PH沉淀硬化不锈钢。17-4PH衰减性能好，抗腐蚀疲劳及抗水滴性能强，为目前国内现有的最好，适合于在含有硫化氢气体的压缩机中作为活塞杆的材质。

2.4 现场安装过程评估

安装现场可能存在安装疏漏，活塞杆与活塞的连接及活塞杆与十字头的连接不当会影响活塞杆的使用安全与使用寿命。十字头与活塞杆未进行二次紧固连接，使得十字头和活塞杆连接的连接螺母间有间隙量，引起活塞杆与十字头的连接松动。一旦活塞杆与十字头或活塞杆与活塞间出现连接螺纹松动问题，就会使活塞杆处于非正常工作状态。连接松动会使活塞杆受力偏心，使其受到的交变载荷增加，活塞杆受力不均；严重的会引起活塞刮碰或撞击气缸缸座缸盖，进而可能会使活塞变形，活塞内活塞杆的预紧力减小，活塞杆受到不均匀的交变应力、撞击应力。连续异常且很大的交变应力使得活塞杆产生疲劳裂纹，扩展到一定程度，最终导致疲劳破坏。

2.5 工艺条件评估

因在压缩机实际运行工况下的分液罐中有液体析出，压缩机工艺气体可能是湿气体，在压缩机工作过程中气缸内未及时蒸发和排出的液体受到活塞压缩时，瞬间内出现的巨大压力会造成受力件的变形和损坏。一旦有液击现象发生，液击会对活塞杆产生很大的作用力，能够在短时间内造成活塞杆断裂。

2.6 活塞杆受力评估

对活塞杆所受到气体力进行分析，探讨是否由于压缩机超载导致的活塞杆断裂。根据现场的中控室的检测数据，获得进排气压力，介质组分等数据，并进行动力学分析。得出活塞杆所承受的最大气体力为32.95KN，许用值为80KN，安全系数为2.4。因此，活塞杆受力未超标。活塞杆受力的动态特性曲线，见图2。

2.7 活塞杆有限元分析

对活塞杆进行三维有限元模型的建立，并设置边界条件，施加进排气压力，模拟活塞实际的工作过程。分析出在实际运行时，活塞杆应力的分布状况，精确计算出断裂位置所承受的最大应力（如图3所示）。经分析，活塞杆说承受的最大应力为365MPa，活塞杆的许用应力为725MPa，安全系数为1.98，应力分析合格。

2.8 断口的宏观分析

两个断口边缘均有不同程度的向外翘起，这只能是断后撞击产生的变形。但断裂处整体未见有其他明显塑性变形（如颈缩），说明活塞杆的断裂属于脆性断裂。如图4所示。

左侧断口的右上部分可见到一些放射状棱线（箭头所指），说明该部分断口的形成是从内（加热孔边缘）向外的，如图5所示。

左侧断口左边缘部分的局部放大像图6，可清楚地看到有几个弧状线，如小箭头1、2、3所示。这些贝壳状弧线是疲劳弧线（或称贝纹线），是疲劳断裂的典型宏观特征。疲劳弧线是疲劳裂纹扩展到一定程度时留下的痕迹，与另外扩展速率的变化或氧化有关。不同的弧线同时存在说明这些疲劳裂纹起自不同的源，为多源疲劳。多源疲劳常常表明受力比较苛刻。

2.9 扫描电镜

图7是与疲劳区断口（图6）相对应的扫描电镜像，可见到很多平行的纹理。图8是在裂纹形成但还没有断开时裂纹开闭造成的，具有疲劳断裂的特征，这与图6的分析是一致的。

3 结语

经过对可能产生原因的逐一排查并进行详细的调查与研究，最终找出了活塞杆断裂的主要原因。由于安装活塞时紧固不到位，螺纹松动，导致运行时活塞杆承受了较大的冲击载荷产生过大的交变应力，使得活塞杆产生疲劳裂纹，扩展到一定程度，最终导致疲劳破坏。

参考文献

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[2] 西安交通大学动力工程系，陈永江.容积式压缩机原理与结构设计[M].1985.

[3] 张洪才，刘宪伟，孙长青.ANSYS Workbench 14.5数值模拟工程实例解析[M].机械工业出版社，2013.