循环气往复压缩机二级压缩段缸盖螺栓断裂分析及改进措施

2020-01-14张佐

中国设备工程 2019年24期

张佐

（中天合创烯烃部，内蒙古鄂尔多斯 017399）

循环气压缩机PK301 是环管聚丙烯装置丙烯回收单元的关键机组，将环管反应器排出的聚合物浆液分离出丙烯气压缩回收后重新参与反应。某新建35 万吨/年环管聚丙烯装置于2016 年10 月投产，循环气压缩机组为沈阳远大4K-250MG-57.5/0.6-19.1 四列二级立式迷宫压缩机组，主要参数见表1。2018 年2 月3 日21 点30 分压缩机一级入口压力低联锁停车，二级压缩段有两个气缸，现场检查发现PK301A 靠近电机侧二级气缸缸盖脱离缸体，砸坏二级气缸回水管，导致有水落到缸体内部，同时现场有大量丙烯气弥漫。另外一个二级缸盖未脱离气缸，但紧固螺栓已经断裂，如图1。

1 原因分析

（1）气体力过大，造成螺栓负荷超载断裂，导致缸盖脱离缸体。根据现场采集数据，一级进气压力0.05MPa，级

表1 压缩机主要参数

图1 PK301 二级压缩段左边缸体飞出右边缸体螺栓全部断裂

间气体压力0.4 ～0.5MPa，二级排气压力1.8MPa，一级进气温度20℃，一级排气温度83℃，二级进气温度26℃，二级排气温度106℃，从以上数据中可以看出，压缩机的工作温度、压力均在正常范围内，无异常现象，因此可排除此因素。

（2）活塞、十字头、连杆等传动部件出现连接松动，活塞运行超出上止点，接触到缸盖底部，造成缸盖受到较大的撞击力，螺栓断裂，缸盖脱离缸体。如因运动部件松动，造成活塞撞击缸盖的现象，在缸盖的底部和活塞表面会产生撞击痕迹，根据现场的查看，缸盖底部及活塞表面无任何撞击痕迹。对压缩机二段进行解体检查，气缸、活塞、十字头体、十字头销、连杆、轴瓦、瓦衬等传动部件进行了着色探伤，检测报告正常。对活塞止点间隙测量：南侧气缸上侧间隙为2.7mm、下侧间隙为1.6mm 北侧上间隙为2.6mm、下间隙为1.7mm，间隙均是正常范围，其余各项参数检测后均符合技术要求，因此可排除此因素。

（3）连接螺栓强度不够，在气体力作用下断裂，导致缸盖脱离缸盖。根据设计连接螺栓强度时，机组最大气体力，即安全阀设定状态进行螺栓强度计算，在使用M24 螺纹规格、性能等级8.8 级的螺栓情况下，按照3 倍的最大安全系数进行计算，螺栓的数量为3.77，本机组共设计了12 根螺栓。取样14 个断裂的螺栓或螺栓螺母副，从宏观形貌看，一部分螺栓断口较为平直，一部分呈现强度破坏的撕裂形貌。此外很多螺栓表面和断口存在锈蚀。断口较为平直的螺栓很有可能是受疲劳载荷而扩展的疲劳裂纹。一般的平直面积较大的螺栓为较早断裂。通过筛选，选取平直面积占比最大的螺栓断口进行分析。同时切割一根没有断裂的螺栓进行截面宏观观察。

对图2 中的疲劳源进行SEM 观察，寻找疲劳起源的原因，从图3 照片中，疲劳源整体比较清洁，未见腐蚀、磨损等异常形貌。

图2 较早疲劳起裂的断裂螺栓

图3 疲劳源SEM 观察

按照图2 中虚线所示切割样品，对裂纹源的截面进行金相制样并观察，如图4 和图5。从图4 截面看，疲劳起裂位置位于螺栓螺纹根部的拐角处，该处未发现明显的腐蚀等异常现象。图5 为靠近瞬断区的一处微裂纹，裂纹平直且尖端未见明显的组织变形特征，初步判断该处也为疲劳开裂，起裂位置与图4 相同，同时也未见明显的腐蚀特征。

图4 疲劳源截面金相

图5 接近瞬断区未完全断裂的裂纹

采用直读光谱仪对缸盖螺栓、螺母、新螺栓和联轴器螺栓进行化学成分分析，分析结果显示：缸盖螺栓成分基本符合35CrMo。从以上分析结果来看，缸盖螺栓断裂过程属于螺栓的疲劳破坏。起裂位置位于螺纹根部拐角的应力集中处。未发现腐蚀特征，送样螺栓的疲劳起裂为过载。

（4）有异物进入活塞与气缸之间，造成活塞间接撞击缸盖，螺栓断裂，缸盖脱离。结合以上分析，有异物进入活塞与气缸之间可能性最大，进入的异物应该为液体介质，也就是二级压缩段发生了液击现象。液体不存在压缩形变，当进入液体体积大于气缸与活塞之间的止点间隙，活塞通过液体撞击缸盖，较大的冲击力迫使缸盖螺栓发生断裂，缸盖脱离缸体掉落。液击发生时，受挤压的液体冲向气阀，由于气阀为单向流动阀体，吸气阀将受到较大的冲击，根据现场照片，吸气阀阀片断裂、变形与液击现象吻合（如图6）。

事故发生后对该股循环气进行成分分析，该股循环气为91%的丙烯、8%的丙烷和极微量的C4，从压缩机入口锥形过滤器可见循环气中夹带少量微量白油和三乙基铝；可判断气缸内进入的液体为工艺介质中的白油与三乙基铝、烃类在低温与高压下的产物。