淺談往復式壓縮機活塞桿使用壽命

陳棟棟

摘? 要：往復式氫氣壓縮機是石化行業重要的生產設備之一。其運行周期直接影響企業的安全生產效率?；钊麠U疲勞斷裂是活塞式壓縮機運行事故的主要原因之一。如何分析活塞桿疲勞斷裂的主要原因，提出延長活塞桿疲勞壽命的對策是本文的主要研究目的。本文主要圍繞活塞式壓縮機活塞桿損壞的主要形式之一，即疲勞斷裂（特征）、原因和預防對策，提出有針對性的使用壽命維護建議。

關鍵詞：往復式壓縮機;活塞桿;使用壽命

一、前言

活塞桿的突然斷裂（本質上是疲勞斷裂）是壓縮機的主要失效之一。由于大多數往復式壓縮機介質氣高溫高壓易燃易爆，一旦活塞桿發生故障，會產生不可估量的安全后果。

二、活塞桿疲勞斷裂原因探索

（一）活塞桿疲勞斷裂斷口特點

某加氫裝置氫氣壓縮機活塞桿連接螺栓發生斷裂。該新氫壓縮機為美國德萊賽蘭往復式壓縮機，設計壓比2.5，一段進口壓力2.5～2.8MPa，出口壓力 6.65MPa，出口溫度105～147℃，工作介質為氫氣。委托相關資質單位開展化學成分、力學性能、硬度、金相、掃描電鏡觀察和能譜分析等試驗，進行失效分析，得出以下結論：

（1）活塞桿材料常溫屈服強度和抗拉強度均低于標準GB/T 3077-2015 中 40CrNi2Mo 材料規定的下限值。

（2）活塞桿材料自外壁至芯部硬度逐漸增大，硬度值普遍較高，超出了標準 GB/T3077-2015 中 40CrNi2Mo 材料規定的硬度上限值。

（3）活塞桿材料顯微組織為回火索氏體，但由于淬火不徹底，淬火后回火不充分，往芯部方向，顯微組織中出現了塊狀殘余奧氏體和馬氏體位向的索氏體。

（4）活塞桿斷裂形式為脆性斷裂，斷裂機理為疲勞斷裂。

（5）活塞桿材料中存在的大量 MnS 夾雜物破壞了基體的連續性，易產生應力集中，加之熱處理不當，顯微組織與正常的調質態存在明顯差異，降低了材料的強度和塑性，嚴重影響了材料的耐疲勞性能?；钊麠U正常服役后，長期承受交變載荷，在外壁多個位置萌生微裂紋并不斷擴展，最終導致其疲勞斷裂。

（二）制造及安裝精度不夠高

壓縮機活塞桿的疲勞斷裂主要發生在螺紋部分，即活塞桿與十字頭的連接處。裂縫和斷裂應立即更換。目前，在拆卸前很難發現隱患（特別是在開裂初期），拆卸后很難修復。如以上機組一級活塞桿斷裂，在顯微鏡下觀察，可觀察到明顯的切削痕切口，該區域形成較大的應力集中。在交變載荷作用下產生裂紋，并以疲勞的形式向活塞桿中心擴展。如果能大大提高活塞桿螺紋部分的軋制質量和精確度，將活塞桿的薄弱部分設計成易于監控和維修的部分，故障將大大減少。建議廠家根據新思路，更合理、科學地設計活塞桿結構。

三、優化延長活塞桿使用壽命措施

（一）保證靜動態選材質量與制造精度

除了使活塞桿的結構設計盡可能的合理和科學外，在材料的選擇上也要控制質量。所用材料應有材料質量證明書（必要時進行化學成分檢驗，確認化學成分符合要求），并消除缺陷的根本原因。在加工制造方面，要認真檢查，從鋼坯生產、機加工到表面熱處理等環節要按技術要求進行。每一步都要經過質量檢驗，才能進入下一道工序。例如，GB/T 3077-2015 標準中對40CrN2iMo 材料推薦的熱處理制度為 2 次淬火+高溫回火，其中第一次淬火（正火 890℃），第二次淬火（850℃，油冷），回火處理方法為 560～580℃空冷。對調質態合金鋼而言，殘余奧氏體的出現往往是由于淬火處理時，局部未淬透所導致。而出現馬氏體位向的索氏體組織則是材料回火溫度不夠或回火時間不足而產生。由此可見，活塞桿材料的熱處理工藝應滿足標準要求。

（二）提高設備安裝質量與裝配精度

注重壓縮機整體的安裝精度及其各零部件的裝配精度顯得尤為重要，它直接影響到活塞桿乃至壓縮機后續的運行。曲軸、連桿、壓縮十字頭、活塞等，它們之間的裝配狀況均影響到活塞桿工作中的受力狀態優劣。安裝前須做好清洗檢查和必要的修理工作，對于一些有較嚴格技術要求的裝配部位，宜須全力保證。如氣缸內余隙的大小，此值需經過精確的裝配尺寸鏈計算，以指導壓縮機各件調整、連接、緊固，使之有據可循、嚴加控制。實際操作中，宜嚴格按圖樣規定的數據予以安裝。各段氣缸的余隙過大，會降低壓縮機的效率;如太小，當活塞桿受熱向前膨脹則會與氣缸蓋撞擊而造成事故。

（三）提升氣體介質的凈化程度及其效率

提高凈化設備的工作效率和提高系統的技術水平是不可忽視的重要環節。氫氣壓縮機等對原料氣介質的要求很高，部分壓縮機工作條件較差。通過現場調查，部分機組運行一段時間后氣閥罩就會充滿油泥和水，這也大大增加了設備的額外運行負荷。這也導致某些部件過早損壞，包括活塞桿。上一工段應去除介質氣中的CO、CO、O等成分或低于一定的允許含量范圍（也包括氣體中的水和油含量）。這不僅提高了裝置的經濟效益，而且有效地保護了壓縮機的正常運行。

（四）改善潤滑條件，優化及保持現場運行環境

眾所周知，在壓縮機運行過程中，活塞桿承受著較大的拉伸和壓縮應力。如果活塞桿的某些連接件（特別是兩端）和其他相互接觸的部件滑動，潤滑條件差或不穩定，應力狀態的惡化將影響活塞桿。這將影響正常運行和使用壽命。如活塞環、缸套、機身上下滑塊等，在運行過程中始終承受較大的摩擦力。因此，應選用質量合適的潤滑油并定期化驗油質，油道、油底殼、油孔應光滑。此外，應保持潤滑油的質量、溫度、壓力和清潔度，以確?；钊麠U兩端（主要是缸壁和上下滑塊）的良好滑動。

（四）引進智能預警與保護新技術

應重視、加快故障自動預警、自動診斷新技術應用，實際數據已證明：往復式壓縮機絕大多數典型故障，特別是機械故障，都有其故障早期特征。故障自動預警、自動診斷等新技術應用將有效提升在線監測診斷系統的實際功效。

針對往復式壓縮機活塞桿斷裂沖擊、振動大等可引進以下核心故障分析診斷功能。

1）振動監測（時域、頻域）

2）活塞桿位移監測（時域、頻域）

3）溫度壓力等工藝量監測

4）軸心軌跡監測

5）活塞桿受力監測

6）實時+歷史趨勢監測

四、總結

綜上所述，通過人為的技術性調控，完全有可能營造機器的良好運行環境與條件，活塞桿的使用壽命亦可以達到設計的工作期限。若采用先進的技術改造，使其結構更趨合理（如將最薄弱點移出螺紋區域），并保證較高的材料質量和加工安裝精度，還可以進一步提高活塞桿的使用壽命。