加氢装置往复压缩机气缸缸盖螺栓断裂原因的分析及对策

许思维

（中国石油广西石化分公司，广西 钦州 535000）

某石化公司加氢装置的往复压缩机，将管网直供的2.1MPa 氢气经三级压缩后升压至16MPa，为加氢反应提供所需的氢气。往复压缩机的一级缸盖共有24 根均布的螺栓，规格为1.375-8 牙，长度215mm，强度等级8.8 级。一级缸盖螺栓于2016 年曾断裂过4 根，2020 年再次发现断裂10 根。

1 断裂原因分析

1.1 工艺原因

压缩机一级排气的压力波动，可能会导致一级气缸端盖的受力发生变化，导致螺栓断裂。查询DCS 的操作趋势，泄漏发生前30d 内，管网压力及压缩机的各级操作压力均无波动，因此可以排除因工艺操作原因而导致断裂。

1.2 腐蚀原因

一级缸盖螺栓的材质为40CrMnMo，在富氢环境下易发生氢脆，造成应力集中，若超过钢的强度极限，则会导致螺栓断裂。螺栓断裂之前，该部位未发生氢气泄漏，且螺栓安装在缸盖密封O 圈外侧，不与氢气接触，不具备发生氢脆的外部环境。对断裂螺栓进行全面检测，发现一级缸盖螺栓未发生氢脆，故可排除氢腐蚀情况。

1.3 安装原因

查询往复压缩机的故障记录，前期一级缸盖螺栓有2 根出现断裂，更换了2 根螺栓，并将所有螺栓按照压缩机厂家建议的850N·m 的力矩值，进行了定力矩紧固。该台机组没有无级气量调节系统，因此该机平时处于备用状态，不排除其它螺栓已经存在微观损伤的可能，但由于长期处于备用状态，损伤没有体现出来。

本次螺栓断裂后，对一级气缸的止点间隙进行了测量。曲轴侧的止点间隙为2.5mm（设计值为1.57mm），端盖侧的止点间隙为70mm（设计值为65.89mm），均在设计范围内。缸内未出现磨损，且压缩机入口的分液罐内无液，可排除氢气带液的可能，故可排除撞缸导致的螺栓断裂。

1.4 螺栓的材质分析

对断裂螺栓进行了材质分析。依据相关标准，从螺栓上切取块状样品，用光谱仪等对螺栓材质进行化学分析。结果表明，螺栓材质均为中碳铬锰钼钢，成分与压缩机厂家提供的螺栓制造标准ASTM A193 B7/B7M 相符，同时也与国家标准中的40CrMnMo 钢标准成分相符（表1）。

表1 螺栓材质的分析结果

1.5 螺栓的金相分析及硬度测试

在显微镜下观察样品的金相，并用显微硬度计对螺栓进行硬度测试。螺栓横向截面的金相组织均匀，为sorbite，具有良好的韧性、塑性和较高的强度，因此具有良好的综合力学性能。螺栓横向截面的硬度值均匀，2 根螺栓的硬度相近，HRC 约为35，ASTM A193 B7 要求的螺栓硬度HRC 为35，因此符合制造标准要求。

1.6 螺栓断裂的宏观及低倍分析

螺栓断口处没有明显的腐蚀破坏，断口处呈平整瓷质状，显示有弹性变形；4#螺栓的断口平坦，有“海滩状”弧线和瞬断剪切区，这些螺栓都是从边缘处断裂，因此，螺栓断口处有明显的疲劳断裂现象。

图1 螺栓断口的宏观形貌

1.7 螺栓的力学分析

选取一根送检螺栓，加工成拉伸试样，使用AG-100kNG 拉伸试验机，依据相关标准，对螺栓拉伸试样进行常温（20℃）力学性能实验。拉伸实验后，该试样中部（有效标距内）发生了颈缩变形并断裂，试样断口呈杯锥状，判断为韧性断裂(图2)。拉伸实验结果表明，螺栓的常温力学性能（拉伸）符合GB/3077-2015 中40CrMnMo 钢的标准要求（表2）。

图2 螺栓拉伸试样断口的低倍形貌

表2 螺栓拉伸试样的实验数据

2 故障原因讨论

1）本次往复压缩机缸盖螺栓的断裂，属于低应力高周疲劳断裂，疲劳裂纹源位于螺杆与螺栓头部连接处的螺纹末端，此处应力集中，最终导致缸盖螺栓在工作过程中的往复交变应力作用下发生了疲劳断裂。

2）原螺栓为通扣等径螺柱，中间没有圆滑过渡，导致螺栓在预紧过程中没有处于拉伸状态，在压缩机的运行过程中，在气体的作用下，缸盖不断撞击螺母，因此断裂位置在螺柱与螺纹的第一道螺纹处。

3）机组开停机时提速太快，导致螺栓由轻载突然提升至较大载荷而受到冲击。停机卸载后，螺栓处于相对松弛状态，与螺母的配合不再紧密，导致偏载，再次运行时加快了疲劳断裂的产生。

3 解决措施

1）加强设备的检维修管理，与压缩机厂家确认机组易损件的使用寿命，按时间节点更换机组易损件。安装螺栓时，要严格按照相应的操作规程及力矩值进行定力矩紧固，保证各个螺栓的载荷均匀分布。

2）螺纹底部是应力集中点，因此在设计螺纹时，可将螺纹底部设计成圆角形式，以减小应力集中。设计螺纹连接时，可将螺柱中间位置设置为光杆，在螺柱工作时中间位置可发挥弹性杆的能力，减小螺纹根部的应力集中。

3）由于此往复压缩机没有无级气量调节，停机时只能通过50%负荷进行加载/卸载，气缸内的压力波动剧烈，气缸及螺栓受到的冲击载荷较大。卸载过快导致密封O 圈中的氢分子无法溢出，造成O圈鼓泡，进而降低了密封性，为此需要增加无级气量调节系统，以保证机组开停机的平顺性。平时要进一步加强机组开停机的操作管理，严格控制机组加载/卸载的速度，避免负荷大幅波动。

4）加强日常巡检工作，将往复压缩机作为重点检查部位，对压缩机的连接部位进行测漏。进一步加强安技装备管理，确保报警联锁系统处于完好状态。

4 结论

本文从多个角度分析压缩机一级气缸缸盖螺栓断裂的原因，最终确定螺栓断裂属于低应力高周疲劳断裂。提出了几项解决措施并加以实施，解决了一级气缸缸盖螺栓断裂的隐患，确保了往复压缩机安全可靠长周期平稳运行。