氢气压缩机活塞杆断裂原因分析及对策

宋波

（中国石油独山子石化公司设备检修公司，新疆 独山子 833600）

1 机组重要参数（表1）

表1 机组重要参数

2 失效情况简介

氢气往复式压缩机先后出现一级缸活塞、活塞杆失效断裂。活塞失效位置在曲轴侧活塞壁上，活塞杆失效在与十字头连接处，如图1所示1-1处，断面为切向。

3 活塞杆疲劳强度校核

（1）活塞杆在往复运动过程中主要受力可分两部分。一是活塞安装是拉紧螺栓产生的预紧力；二是运动中气体压缩产生的活塞力。根据应力集中特点，活塞杆应力集中分布，十字头侧集中在连接图1所示1-1处，活塞侧集中在螺纹退刀槽处，图1所示2-2处。

（2）活塞端活塞杆疲劳强度校核。活塞端活塞杆锁紧螺母的预紧方法是：将M48的螺母紧固后对称使用27N．M的力矩紧固12个M9的拉紧螺栓产生预紧力。活塞杆连接长度为55mm，螺纹尾部退刀槽直径44mm、长度10mm。

图1 活塞杆结构图

根据外商提供的资料，活塞杆材质为不锈钢X20CrNi17．2，活塞杆经过碳化钨处理表面硬度达到HRC60，经过查DIN材料标准（德国标准化学会），材料机械性能：抗拉强度σb≥1080MPa、屈服强度σs=726MPa（热处理：正火，1000～1020℃，淬火，1000～1020℃油冷或空冷；回火，540～600℃油冷或空冷），σ-1≥1080-726=354MPa；

活塞杆在运行过程中，承受的是交变载荷，按活塞杆设计规范要求，应进行疲劳计算，并校核应力幅的安全系数na和最大应力安全系数n，使na≥[na]=2．5-4，n ≥ [n]=1．25-2．5。

与许用安全系数相比，2-2截面应力幅安全系数na和最大应力安全系数n都远远大于许用安全系数，疲劳强度满足要求。活塞材质为碳钢，其壁厚为20mm,查GB6654-1996标准：常温下20mm壁厚的碳钢抗拉强度σb=420MPa、屈服强度σs=235MPa，在压缩温度110℃出口温度下残余伸长应力σs为156MPa。活塞在运动过程中受到的最大应力σmax=532MPa，在活塞杆疲劳强度安全系数大大满足许用安全系数时，活塞杆及活塞在最大应力用下，失效首先出现在安全系数低的活塞壁处，而不是活塞杆。实际运行中先是出现失效破裂，这与上述计算分析结果是一致的。

（3）十字头端活塞杆疲劳强度校核。活塞杆与十字头连接预紧方法是：将4个M30的夹紧螺母紧固后使用29N·m的力矩紧固4×8个M6的拉紧螺栓产生预紧力。活塞杆连接长度120mm，直径为64mm。

活塞杆与拉紧螺栓均为不锈钢，其弹性模量E=0．21×106MPa；

式中: K——拉紧系数，取3；P——最大气体力，N。

活塞杆与十字头连接处截面所受最大力及最小力：

与许用安全系数相比，1-1截面应力幅安全系数和最大应力安全系数虽然满足要求，但都处于许用下限，经过长周期运行后疲劳强度降低，工艺或机械安装稍有偏差，安全系数达不到许用安全系数。

4 措施及建议

根据上述分析结论，采取以下改造措施。第一将一级活塞质量增加65kg加厚活塞壁，为消除活塞增重产生的惯性力在二级十字头连接处加配重进行平衡；第二，根据API618标准，在活塞上开两个直径为3 mm的单孔，活塞连续自行放气降压；第三，将一、二级气缸运行负荷调整为压缩机额定负荷的85%～90%，降低活塞杆最大活塞力；第四，监测活塞杆仪表探头沉降量变化，及时检修防止十字头与滑道垂直度偏差过大，造成活塞杆弯曲产生弯曲外力，其应力值与活塞杆所受最大应力叠加，超过活塞杆许用应力；第五，安装锁紧螺母时，预紧力要足够、均匀，否则截面处应力幅增加，疲劳断裂可能性增大。