天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞缸套碎裂故障分析

馮丞科，張舉，廖建，陳建潤(rùn)，弋山，姜越

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400707；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司梁平采輸氣作業(yè)區(qū)，重慶 405200；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司開州采輸氣作業(yè)區(qū)，重慶 405400）

某增壓站12SGTD/WH64天然氣壓縮機(jī)組為中速分體機(jī)，設(shè)計(jì)排量60×104m3/d，用于對(duì)某氣田井站單井氣集中增壓，輸送到中心站脫水外輸。2010年10月投產(chǎn)，累計(jì)運(yùn)行23367．18小時(shí)。

機(jī)組為二級(jí)壓縮，進(jìn)氣壓力1．8MPa，一級(jí)排壓 3．4MPa， 二 級(jí) 排 壓 6．0MPa， 動(dòng) 力 缸 排 溫 450 ～480℃，日處理氣量60萬方米，機(jī)組負(fù)荷率66%。12SGTD天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 12SGTD天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)

1 故障描述

4#壓縮機(jī)組04:35因發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩大停機(jī)，檢查發(fā)現(xiàn)該機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱潤(rùn)滑油乳化，L6缸進(jìn)氣門彈簧斷，缸套、活塞頂部和裙部碎裂、進(jìn)氣門有明顯擠壓痕（圖1）。

2 參數(shù)變化描述

增壓站現(xiàn)場(chǎng)DCS記錄顯示，4#壓縮機(jī)組凌晨3:45:54停機(jī)，停機(jī)前轉(zhuǎn)速818r/min，幾無波動(dòng)，除故障前9．5小時(shí)開始L1缸不點(diǎn)火外，其余11個(gè)缸點(diǎn)火正常，其中L6缸507℃，R6缸496℃。

在DCS上羅列出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、排溫、夾套水壓、振動(dòng)等參數(shù)的趨勢(shì)記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)的逐點(diǎn)比對(duì)，綜合匯總數(shù)據(jù)見表2。

由表2可見，從故障始發(fā)到保護(hù)停機(jī)整個(gè)過程持續(xù)50秒：故障發(fā)生5秒后L6缸不工作，排氣溫度由507℃逐步降低；故障發(fā)生26秒后發(fā)動(dòng)機(jī)水套進(jìn)氣，水壓由0．22MPa瞬間上升到0．29MPa；故障發(fā)生49秒后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由818r/min下降到677r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩由78增大到118，實(shí)現(xiàn)保護(hù)停機(jī)。

圖1 L6缸損壞的活塞和缸套

3 故障原因分析

從初步解體情況結(jié)合DCS數(shù)據(jù)，對(duì)此次4#壓縮機(jī)組L6缸故障原因分析如下。

在4#壓縮機(jī)組運(yùn)行23367．18小時(shí)后，部件進(jìn)入疲勞期，存在故障風(fēng)險(xiǎn)。

初始故障發(fā)生在L6缸的活塞第3道環(huán)槽處。分析認(rèn)為，活塞在第3道環(huán)槽處存在應(yīng)力集中部位，在交變載荷沖擊下，應(yīng)力集中部位出現(xiàn)裂紋，并快速發(fā)生延展，造成活塞頂部斷裂是事故發(fā)生的根源。

碎裂的活塞頂部擊打、擠壓缸套，使缸套出現(xiàn)裂紋，并延展貫穿。貫穿裂紋的出現(xiàn)，使氣缸燃燒室壓縮氣有了進(jìn)入水套。大量壓縮氣進(jìn)入水套，水壓明顯升高。3:45:49發(fā)動(dòng)機(jī)高扭矩停機(jī)故障保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)停機(jī)。

表2 參數(shù)變化對(duì)比及故障過程分析表

3.1 活塞初始故障分析

活塞在工作過程中，受到來自燃燒室的交變載荷和熱負(fù)荷影響，即燃燒壓力與活塞熱效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力總和，應(yīng)力集中部位易發(fā)初始裂紋，如圖2所示。

圖2 活塞受力情況示意

通過實(shí)驗(yàn)室有限元分析顯示，活塞第3道環(huán)槽底部油道口部位存在高應(yīng)力，如圖3、4所示。

圖3 有限元分析顯示在活塞環(huán)槽有高應(yīng)力

圖4 有限元分析顯示在內(nèi)部油道有高應(yīng)力

此數(shù)據(jù)基本確認(rèn)了初始故障起源于第3道活塞環(huán)槽底部的油道區(qū)域，如圖5所示。

圖5 活塞環(huán)槽處初始裂紋示意

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室有限元檢測(cè)分析，對(duì)活塞的薄弱環(huán)節(jié)做了設(shè)計(jì)改進(jìn)（圖6）：第一，在活塞內(nèi)壁上部環(huán)區(qū)和穹頂增加材料，提高強(qiáng)度；第二，設(shè)計(jì)取消了內(nèi)部油道，環(huán)槽底部采用“R”過渡，改善活塞局部薄弱部位的強(qiáng)度；第三，在內(nèi)部油腔添加擋板。

3.2 缸套掉塊及裂紋現(xiàn)象分析

通過對(duì)L6缸套的橫向裂紋觀察，位于缸套燃燒室位置的兩道貫穿裂紋平行，長(zhǎng)度大于周長(zhǎng)的1/4，間隔100mm，上部一道裂紋在凸臺(tái)水封處，如圖7所示。

圖6 活塞的工藝改進(jìn)

圖7 L6缸套燃燒室部位掉塊及裂紋

從裂紋位置分析，認(rèn)為是活塞頂部斷脫后，掉塊在缸內(nèi)不斷擊打、頂壓缸蓋、活塞和缸套，活塞的頂部和裙部破損，導(dǎo)致活塞擺動(dòng)量增加，連同活塞頂部掉塊，對(duì)缸套位于燃燒室部分的內(nèi)壁沖擊，使缸套產(chǎn)生裂紋并最終碎裂。

4 結(jié)論與措施

4.1 單缸長(zhǎng)時(shí)間不點(diǎn)火是故障誘因之一

天然氣壓縮機(jī)組運(yùn)行過程中的參數(shù)變化，發(fā)動(dòng)機(jī)單缸不點(diǎn)火或間斷點(diǎn)火，會(huì)造成其他缸的負(fù)載增加，這一般會(huì)反映在缸溫變化上，長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)力缸負(fù)載大（缸溫超高）會(huì)加大燃燒室故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，需重視運(yùn)行中參數(shù)異常的及時(shí)處置。

4.2 活塞環(huán)槽熱應(yīng)力集中部位的設(shè)計(jì)缺陷是故障根源

通過使用有限元分析程序?qū)钊M(jìn)行建模和有限元分析計(jì)算，找到了環(huán)槽油道的熱應(yīng)力集中部位，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

[1]李維特，黃保海．熱應(yīng)力理論分析及應(yīng)用[M]．中國(guó)電力出版社．

[2]顧衛(wèi)東．超臨界汽輪機(jī)高壓缸有限元熱應(yīng)力分析．