循環氣往復壓縮機二級壓縮段缸蓋螺栓斷裂分析及改進措施

張佐

（中天合創烯烴部，內蒙古 鄂爾多斯 017399）

循環氣壓縮機PK301 是環管聚丙烯裝置丙烯回收單元的關鍵機組，將環管反應器排出的聚合物漿液分離出丙烯氣壓縮回收后重新參與反應。某新建35 萬噸/年環管聚丙烯裝置于2016 年10 月投產，循環氣壓縮機組為沈陽遠大4K-250MG-57.5/0.6-19.1 四列二級立式迷宮壓縮機組，主要參數見表1。2018 年2 月3 日21 點30 分壓縮機一級入口壓力低聯鎖停車，二級壓縮段有兩個氣缸，現場檢查發現PK301A 靠近電機側二級氣缸缸蓋脫離缸體，砸壞二級氣缸回水管，導致有水落到缸體內部，同時現場有大量丙烯氣彌漫。另外一個二級缸蓋未脫離氣缸，但緊固螺栓已經斷裂，如圖1。

1 原因分析

（1）氣體力過大，造成螺栓負荷超載斷裂，導致缸蓋脫離缸體。根據現場采集數據，一級進氣壓力0.05MPa，級

表1 壓縮機主要參數

圖1 PK301 二級壓縮段左邊缸體飛出 右邊缸體螺栓全部斷裂

間氣體壓力0.4 ～0.5MPa，二級排氣壓力1.8MPa，一級進氣溫度20℃，一級排氣溫度83℃，二級進氣溫度26℃，二級排氣溫度106℃，從以上數據中可以看出，壓縮機的工作溫度、壓力均在正常范圍內，無異常現象，因此可排除此因素。

（2）活塞、十字頭、連桿等傳動部件出現連接松動，活塞運行超出上止點，接觸到缸蓋底部，造成缸蓋受到較大的撞擊力，螺栓斷裂，缸蓋脫離缸體。如因運動部件松動，造成活塞撞擊缸蓋的現象，在缸蓋的底部和活塞表面會產生撞擊痕跡，根據現場的查看，缸蓋底部及活塞表面無任何撞擊痕跡。對壓縮機二段進行解體檢查，氣缸、活塞、十字頭體、十字頭銷、連桿、軸瓦、瓦襯等傳動部件進行了著色探傷，檢測報告正常。對活塞止點間隙測量：南側氣缸上側間隙為2.7mm、下側間隙為1.6mm 北側上間隙為2.6mm、下間隙為1.7mm，間隙均是正常范圍，其余各項參數檢測后均符合技術要求，因此可排除此因素。

（3）連接螺栓強度不夠，在氣體力作用下斷裂，導致缸蓋脫離缸蓋。根據設計連接螺栓強度時，機組最大氣體力，即安全閥設定狀態進行螺栓強度計算，在使用M24 螺紋規格、性能等級8.8 級的螺栓情況下，按照3 倍的最大安全系數進行計算，螺栓的數量為3.77，本機組共設計了12 根螺栓。取樣14 個斷裂的螺栓或螺栓螺母副，從宏觀形貌看，一部分螺栓斷口較為平直，一部分呈現強度破壞的撕裂形貌。此外很多螺栓表面和斷口存在銹蝕。斷口較為平直的螺栓很有可能是受疲勞載荷而擴展的疲勞裂紋。一般的平直面積較大的螺栓為較早斷裂。通過篩選，選取平直面積占比最大的螺栓斷口進行分析。同時切割一根沒有斷裂的螺栓進行截面宏觀觀察。

對圖2 中的疲勞源進行SEM 觀察，尋找疲勞起源的原因，從圖3 照片中，疲勞源整體比較清潔，未見腐蝕、磨損等異常形貌。

圖2 較早疲勞起裂的斷裂螺栓

圖3 疲勞源SEM 觀察

按照圖2 中虛線所示切割樣品，對裂紋源的截面進行金相制樣并觀察，如圖4 和圖5。從圖4 截面看，疲勞起裂位置位于螺栓螺紋根部的拐角處，該處未發現明顯的腐蝕等異常現象。圖5 為靠近瞬斷區的一處微裂紋，裂紋平直且尖端未見明顯的組織變形特征，初步判斷該處也為疲勞開裂，起裂位置與圖4 相同，同時也未見明顯的腐蝕特征。

圖4 疲勞源截面金相

圖5 接近瞬斷區未完全斷裂的裂紋

采用直讀光譜儀對缸蓋螺栓、螺母、新螺栓和聯軸器螺栓進行化學成分分析，分析結果顯示：缸蓋螺栓成分基本符合35CrMo。從以上分析結果來看，缸蓋螺栓斷裂過程屬于螺栓的疲勞破壞。起裂位置位于螺紋根部拐角的應力集中處。未發現腐蝕特征，送樣螺栓的疲勞起裂為過載。

（4）有異物進入活塞與氣缸之間，造成活塞間接撞擊缸蓋，螺栓斷裂，缸蓋脫離。結合以上分析，有異物進入活塞與氣缸之間可能性最大，進入的異物應該為液體介質，也就是二級壓縮段發生了液擊現象。液體不存在壓縮形變，當進入液體體積大于氣缸與活塞之間的止點間隙，活塞通過液體撞擊缸蓋，較大的沖擊力迫使缸蓋螺栓發生斷裂，缸蓋脫離缸體掉落。液擊發生時，受擠壓的液體沖向氣閥，由于氣閥為單向流動閥體，吸氣閥將受到較大的沖擊，根據現場照片，吸氣閥閥片斷裂、變形與液擊現象吻合（如圖6）。

事故發生后對該股循環氣進行成分分析，該股循環氣為91%的丙烯、8%的丙烷和極微量的C4，從壓縮機入口錐形過濾器可見循環氣中夾帶少量微量白油和三乙基鋁；可判斷氣缸內進入的液體為工藝介質中的白油與三乙基鋁、烴類在低溫與高壓下的產物。

2 改進措施

（1）設備上采取增加活塞止點間隙的方法，將總止點間隙由4mm 增加到8mm，確保循環氣中如帶微量液相，仍能保證安全。

（2）工藝上提升丙烯氣分離洗滌純度同時加大排液頻率確保緩沖罐液位處于低位。

（3）二級入口隔離罐增加保溫，減少增加液相組分的可能性。

（4）螺栓安裝預緊使用扭矩扳手按照對稱順序緊固，保證螺栓的均勻緊固。

3 結語

經過幾項預防措施實施后，目前壓縮機已正常運行22 個月，解決了二級缸蓋螺栓斷裂的隱患，保障了該機組的長周期穩定運行，同時也為同類型設備故障提供了很好的參考。

圖6 二級壓縮段吸氣閥閥片斷裂擠壓變形