淺談往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿使用壽命

陳棟棟

摘? 要：往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)是石化行業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)備之一。其運(yùn)行周期直接影響企業(yè)的安全生產(chǎn)效率。活塞桿疲勞斷裂是活塞式壓縮機(jī)運(yùn)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(zhǎng)活塞桿疲勞壽命的對(duì)策是本文的主要研究目的。本文主要圍繞活塞式壓縮機(jī)活塞桿損壞的主要形式之一，即疲勞斷裂（特征）、原因和預(yù)防對(duì)策，提出有針對(duì)性的使用壽命維護(hù)建議。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機(jī);活塞桿;使用壽命

一、前言

活塞桿的突然斷裂（本質(zhì)上是疲勞斷裂）是壓縮機(jī)的主要失效之一。由于大多數(shù)往復(fù)式壓縮機(jī)介質(zhì)氣高溫高壓易燃易爆，一旦活塞桿發(fā)生故障，會(huì)產(chǎn)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(diǎn)

某加氫裝置氫氣壓縮機(jī)活塞桿連接螺栓發(fā)生斷裂。該新氫壓縮機(jī)為美國(guó)德萊賽蘭往復(fù)式壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)壓比2.5，一段進(jìn)口壓力2.5～2.8MPa，出口壓力 6.65MPa，出口溫度105～147℃，工作介質(zhì)為氫氣。委托相關(guān)資質(zhì)單位開(kāi)展化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度、金相、掃描電鏡觀察和能譜分析等試驗(yàn)，進(jìn)行失效分析，得出以下結(jié)論：

（1）活塞桿材料常溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-2015 中 40CrNi2Mo 材料規(guī)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(biāo)準(zhǔn) GB/T3077-2015 中 40CrNi2Mo 材料規(guī)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(xiàn)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(jī)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(xù)性，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之熱處理不當(dāng)，顯微組織與正常的調(diào)質(zhì)態(tài)存在明顯差異，降低了材料的強(qiáng)度和塑性，嚴(yán)重影響了材料的耐疲勞性能。活塞桿正常服役后，長(zhǎng)期承受交變載荷，在外壁多個(gè)位置萌生微裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致其疲勞斷裂。

（二）制造及安裝精度不夠高

壓縮機(jī)活塞桿的疲勞斷裂主要發(fā)生在螺紋部分，即活塞桿與十字頭的連接處。裂縫和斷裂應(yīng)立即更換。目前，在拆卸前很難發(fā)現(xiàn)隱患（特別是在開(kāi)裂初期），拆卸后很難修復(fù)。如以上機(jī)組一級(jí)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(qū)域形成較大的應(yīng)力集中。在交變載荷作用下產(chǎn)生裂紋，并以疲勞的形式向活塞桿中心擴(kuò)展。如果能大大提高活塞桿螺紋部分的軋制質(zhì)量和精確度，將活塞桿的薄弱部分設(shè)計(jì)成易于監(jiān)控和維修的部分，故障將大大減少。建議廠家根據(jù)新思路，更合理、科學(xué)地設(shè)計(jì)活塞桿結(jié)構(gòu)。

三、優(yōu)化延長(zhǎng)活塞桿使用壽命措施

（一）保證靜動(dòng)態(tài)選材質(zhì)量與制造精度

除了使活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能的合理和科學(xué)外，在材料的選擇上也要控制質(zhì)量。所用材料應(yīng)有材料質(zhì)量證明書(shū)（必要時(shí)進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，確認(rèn)化學(xué)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(rèn)真檢查，從鋼坯生產(chǎn)、機(jī)加工到表面熱處理等環(huán)節(jié)要按技術(shù)要求進(jìn)行。每一步都要經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)，才能進(jìn)入下一道工序。例如，GB/T 3077-2015 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(duì)調(diào)質(zhì)態(tài)合金鋼而言，殘余奧氏體的出現(xiàn)往往是由于淬火處理時(shí)，局部未淬透所導(dǎo)致。而出現(xiàn)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(shí)間不足而產(chǎn)生。由此可見(jiàn)，活塞桿材料的熱處理工藝應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（二）提高設(shè)備安裝質(zhì)量與裝配精度

注重壓縮機(jī)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(jī)后續(xù)的運(yùn)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(tài)優(yōu)劣。安裝前須做好清洗檢查和必要的修理工作，對(duì)于一些有較嚴(yán)格技術(shù)要求的裝配部位，宜須全力保證。如氣缸內(nèi)余隙的大小，此值需經(jīng)過(guò)精確的裝配尺寸鏈計(jì)算，以指導(dǎo)壓縮機(jī)各件調(diào)整、連接、緊固，使之有據(jù)可循、嚴(yán)加控制。實(shí)際操作中，宜嚴(yán)格按圖樣規(guī)定的數(shù)據(jù)予以安裝。各段氣缸的余隙過(guò)大，會(huì)降低壓縮機(jī)的效率;如太小，當(dāng)活塞桿受熱向前膨脹則會(huì)與氣缸蓋撞擊而造成事故。

（三）提升氣體介質(zhì)的凈化程度及其效率

提高凈化設(shè)備的工作效率和提高系統(tǒng)的技術(shù)水平是不可忽視的重要環(huán)節(jié)。氫氣壓縮機(jī)等對(duì)原料氣介質(zhì)的要求很高，部分壓縮機(jī)工作條件較差。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，部分機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后氣閥罩就會(huì)充滿油泥和水，這也大大增加了設(shè)備的額外運(yùn)行負(fù)荷。這也導(dǎo)致某些部件過(guò)早損壞，包括活塞桿。上一工段應(yīng)去除介質(zhì)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(jīng)濟(jì)效益，而且有效地保護(hù)了壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

（四）改善潤(rùn)滑條件，優(yōu)化及保持現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境

眾所周知，在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，活塞桿承受著較大的拉伸和壓縮應(yīng)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(dòng)，潤(rùn)滑條件差或不穩(wěn)定，應(yīng)力狀態(tài)的惡化將影響活塞桿。這將影響正常運(yùn)行和使用壽命。如活塞環(huán)、缸套、機(jī)身上下滑塊等，在運(yùn)行過(guò)程中始終承受較大的摩擦力。因此，應(yīng)選用質(zhì)量合適的潤(rùn)滑油并定期化驗(yàn)油質(zhì)，油道、油底殼、油孔應(yīng)光滑。此外，應(yīng)保持潤(rùn)滑油的質(zhì)量、溫度、壓力和清潔度，以確保活塞桿兩端（主要是缸壁和上下滑塊）的良好滑動(dòng)。

（四）引進(jìn)智能預(yù)警與保護(hù)新技術(shù)

應(yīng)重視、加快故障自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)診斷新技術(shù)應(yīng)用，實(shí)際數(shù)據(jù)已證明：往復(fù)式壓縮機(jī)絕大多數(shù)典型故障，特別是機(jī)械故障，都有其故障早期特征。故障自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)診斷等新技術(shù)應(yīng)用將有效提升在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的實(shí)際功效。

針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿斷裂沖擊、振動(dòng)大等可引進(jìn)以下核心故障分析診斷功能。

1）振動(dòng)監(jiān)測(cè)（時(shí)域、頻域）

2）活塞桿位移監(jiān)測(cè)（時(shí)域、頻域）

3）溫度壓力等工藝量監(jiān)測(cè)

4）軸心軌跡監(jiān)測(cè)

5）活塞桿受力監(jiān)測(cè)

6）實(shí)時(shí)+歷史趨勢(shì)監(jiān)測(cè)

四、總結(jié)

綜上所述，通過(guò)人為的技術(shù)性調(diào)控，完全有可能營(yíng)造機(jī)器的良好運(yùn)行環(huán)境與條件，活塞桿的使用壽命亦可以達(dá)到設(shè)計(jì)的工作期限。若采用先進(jìn)的技術(shù)改造，使其結(jié)構(gòu)更趨合理（如將最薄弱點(diǎn)移出螺紋區(qū)域），并保證較高的材料質(zhì)量和加工安裝精度，還可以進(jìn)一步提高活塞桿的使用壽命。