浅谈往复式压缩机活塞杆使用寿命

陈栋栋

摘  要：往复式氢气压缩机是石化行业重要的生产设备之一。其运行周期直接影响企业的安全生产效率。活塞杆疲劳断裂是活塞式压缩机运行事故的主要原因之一。如何分析活塞杆疲劳断裂的主要原因，提出延长活塞杆疲劳寿命的对策是本文的主要研究目的。本文主要围绕活塞式压缩机活塞杆损坏的主要形式之一，即疲劳断裂（特征）、原因和预防对策，提出有针对性的使用寿命维护建议。

关键词：往复式压缩机;活塞杆;使用寿命

一、前言

活塞杆的突然断裂（本质上是疲劳断裂）是压缩机的主要失效之一。由于大多数往复式压缩机介质气高温高压易燃易爆，一旦活塞杆发生故障，会产生不可估量的安全后果。

二、活塞杆疲劳断裂原因探索

（一）活塞杆疲劳断裂断口特点

某加氢装置氢气压缩机活塞杆连接螺栓发生断裂。该新氢压缩机为美国德莱赛兰往复式压缩机，设计压比2.5，一段进口压力2.5～2.8MPa，出口压力 6.65MPa，出口温度105～147℃，工作介质为氢气。委托相关资质单位开展化学成分、力学性能、硬度、金相、扫描电镜观察和能谱分析等试验，进行失效分析，得出以下结论：

（1）活塞杆材料常温屈服强度和抗拉强度均低于标准GB/T 3077-2015 中 40CrNi2Mo 材料规定的下限值。

（2）活塞杆材料自外壁至芯部硬度逐渐增大，硬度值普遍较高，超出了标准 GB/T3077-2015 中 40CrNi2Mo 材料规定的硬度上限值。

（3）活塞杆材料显微组织为回火索氏体，但由于淬火不彻底，淬火后回火不充分，往芯部方向，显微组织中出现了块状残余奥氏体和马氏体位向的索氏体。

（4）活塞杆断裂形式为脆性断裂，断裂机理为疲劳断裂。

（5）活塞杆材料中存在的大量 MnS 夹杂物破坏了基体的连续性，易产生应力集中，加之热处理不当，显微组织与正常的调质态存在明显差异，降低了材料的强度和塑性，严重影响了材料的耐疲劳性能。活塞杆正常服役后，长期承受交变载荷，在外壁多个位置萌生微裂纹并不断扩展，最终导致其疲劳断裂。

（二）制造及安装精度不够高

压缩机活塞杆的疲劳断裂主要发生在螺纹部分，即活塞杆与十字头的连接处。裂缝和断裂应立即更换。目前，在拆卸前很难发现隐患（特别是在开裂初期），拆卸后很难修复。如以上机组一级活塞杆断裂，在显微镜下观察，可观察到明显的切削痕切口，该区域形成较大的应力集中。在交变载荷作用下产生裂纹，并以疲劳的形式向活塞杆中心扩展。如果能大大提高活塞杆螺纹部分的轧制质量和精确度，将活塞杆的薄弱部分设计成易于监控和维修的部分，故障将大大减少。建议厂家根据新思路，更合理、科学地设计活塞杆结构。

三、优化延长活塞杆使用寿命措施

（一）保证静动态选材质量与制造精度

除了使活塞杆的结构设计尽可能的合理和科学外，在材料的选择上也要控制质量。所用材料应有材料质量证明书（必要时进行化学成分检验，确认化学成分符合要求），并消除缺陷的根本原因。在加工制造方面，要认真检查，从钢坯生產、机加工到表面热处理等环节要按技术要求进行。每一步都要经过质量检验，才能进入下一道工序。例如，GB/T 3077-2015 标准中对40CrN2iMo 材料推荐的热处理制度为 2 次淬火+高温回火，其中第一次淬火（正火 890℃），第二次淬火（850℃，油冷），回火处理方法为 560～580℃空冷。对调质态合金钢而言，残余奥氏体的出现往往是由于淬火处理时，局部未淬透所导致。而出现马氏体位向的索氏体组织则是材料回火温度不够或回火时间不足而产生。由此可见，活塞杆材料的热处理工艺应满足标准要求。

（二）提高设备安装质量与装配精度

注重压缩机整体的安装精度及其各零部件的装配精度显得尤为重要，它直接影响到活塞杆乃至压缩机后续的运行。曲轴、连杆、压缩十字头、活塞等，它们之间的装配状况均影响到活塞杆工作中的受力状态优劣。安装前须做好清洗检查和必要的修理工作，对于一些有较严格技术要求的装配部位，宜须全力保证。如气缸内余隙的大小，此值需经过精确的装配尺寸链计算，以指导压缩机各件调整、连接、紧固，使之有据可循、严加控制。实际操作中，宜严格按图样规定的数据予以安装。各段气缸的余隙过大，会降低压缩机的效率;如太小，当活塞杆受热向前膨胀则会与气缸盖撞击而造成事故。

（三）提升气体介质的净化程度及其效率

提高净化设备的工作效率和提高系统的技术水平是不可忽视的重要环节。氢气压缩机等对原料气介质的要求很高，部分压缩机工作条件较差。通过现场调查，部分机组运行一段时间后气阀罩就会充满油泥和水，这也大大增加了设备的额外运行负荷。这也导致某些部件过早损坏，包括活塞杆。上一工段应去除介质气中的CO、CO、O等成分或低于一定的允许含量范围（也包括气体中的水和油含量）。这不仅提高了装置的经济效益，而且有效地保护了压缩机的正常运行。

（四）改善润滑条件，优化及保持现场运行环境

众所周知，在压缩机运行过程中，活塞杆承受着较大的拉伸和压缩应力。如果活塞杆的某些连接件（特别是两端）和其他相互接触的部件滑动，润滑条件差或不稳定，应力状态的恶化将影响活塞杆。这将影响正常运行和使用寿命。如活塞环、缸套、机身上下滑块等，在运行过程中始终承受较大的摩擦力。因此，应选用质量合适的润滑油并定期化验油质，油道、油底壳、油孔应光滑。此外，应保持润滑油的质量、温度、压力和清洁度，以确保活塞杆两端（主要是缸壁和上下滑块）的良好滑动。

（四）引进智能预警与保护新技术

应重视、加快故障自动预警、自动诊断新技术应用，实际数据已证明：往复式压缩机绝大多数典型故障，特别是机械故障，都有其故障早期特征。故障自动预警、自动诊断等新技术应用将有效提升在线监测诊断系统的实际功效。

针对往复式压缩机活塞杆断裂冲击、振动大等可引进以下核心故障分析诊断功能。

1）振动监测（时域、频域）

2）活塞杆位移监测（时域、频域）

3）温度压力等工艺量监测

4）轴心轨迹监测

5）活塞杆受力监测

6）实时+历史趋势监测

四、总结

综上所述，通过人为的技术性调控，完全有可能营造机器的良好运行环境与条件，活塞杆的使用寿命亦可以达到设计的工作期限。若采用先进的技术改造，使其结构更趋合理（如将最薄弱点移出螺纹区域），并保证较高的材料质量和加工安装精度，还可以进一步提高活塞杆的使用寿命。