【压缩机网】摘要：某炼厂60万吨/年柴油加氢装置，解析气压缩机的两根35CrMoA钢连杆螺栓在切机运行过程中发生断裂失效。对螺栓的断口形貌进行了分析，对其化学成分，显微组织和硬度等进行了理化分析。发现断裂连杆螺栓的组织分布不均匀，夹杂物较多，力学性能下降，在交变载荷作用下，最终发生疲劳失效。通过金相组织、扫描电镜等的检验分析，结果表明，在交变载荷的作用下，该连杆其中一根螺栓首先疲劳断裂，随之另一根连杆螺栓因过载而被拉滑扣且弯曲，大头瓦巴氏合金卷层熔化。
文/洛阳石化三隆公司动设备 孙应辉
一、引言
往复式压缩机的连杆组由连杆体、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓（或螺钉）等组成。连杆组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨，造成压缩机严重损坏。
二、机组概述
柴油加氢装置VPSA解析气压缩机K-302A/B由国内某公司生产，型号为4M20-198/0.1-6.5，两级对称双吸双排平衡型往复式气体压缩机。机组设置两个强制润滑系统：一是传动部分（曲轴、十字头）；二是工作部分（气缸、填料函）润滑系统。该机组的每个气缸套和填料函都采用了循环软化水冷却系统。机组的所有吸气阀均装有气量调节器，分为0%、50%、100%三个档次。
压缩机主要技术规范：
VPSA解析气压缩机抽气能力为11000Nm3/h，进口压0.01MPa(G)，出口压力0.65MPa(G)。
压缩机
（1）流量 11000Nm3/min
（2）前一级吸气压力 0.01MPa(G)
后一级吸气压力 0.01MPa(G)
（3）前一级排气压力 0.18MPa(G)
后一级排气压力 0.18MPa(G)
（4）前二级吸气压力 0.18MPa(G)
后二级吸气压力 0.18MPa(G)
（5）前二级排气压力 0.65MPa(G)
后二级排气压力 0.65MPa(G)
（6）前一级吸气温度 40℃
后一级吸气温度 40℃
（7）前一级排气温度 107℃
后一级排气温度 107℃
（8）前二级吸气温度 40℃
后二级吸气温度 40℃
（9）前二级排气温度 112℃
后二级排气温度 112℃
（10）各级缸径 910/585 mm
（11）活塞行程 280mm
（12）曲轴转速 375r/min
主电机
（1）型式 增安型三相异步电动机
（2）额定功率 1250kW
（3）额定电压 10000V
（4）额定电流 125.3A
（5）转速（额定转速） 375r/min
三、连杆断裂故障描述
2020年12月11日15∶18时，柴油加氢装置解析气压缩机K-302A在切机运行过程中，突然出现机组振动，随即曲轴箱振动探头联锁停机，运行人员在现场观察到曲轴箱有冒烟现象。在紧急切机后，具备检修条件，维护人员打开曲轴箱盖，发现后一级连杆螺栓已断裂，另一条滑扣螺母与杆粘死，连杆大头瓦巴士合金脱层烧熔。最终用角磨机切断粘死螺栓才将连杆取出。
四、分析检查
通常我们认为，连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。所以，在连杆外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预期效果。连杆螺栓承受很大的交变载荷，是运动机构中受力情况最严重的零件。它要有足够的抗拉强度和抗疲劳性，因此在选材、制造包括过渡圆角和粗糙度、检修装配都不可掉以轻心。
五、连杆螺栓断裂的原因
（1）螺栓头部、螺母与连杆上的支承面没垂直贴合紧密。
（2）螺母没有拧紧，止退措施失效。
（3）螺栓应力集中的敏感部位精度不够，如螺纹、退刀槽、过渡圆角、大小头孔平行度等。
（4）螺栓疲劳或接近疲劳又受附加力的冲击造成断裂。
（5）与轴瓦、铜套的配合间隙不当，出现偏磨、烧研。
（6）连杆油路堵塞，不过油。
根据当时检修情况，连杆螺栓与连杆接触支撑面均用油石研磨，可以排除（1）项因素；
连杆螺母均采用随机扭矩扳手统一上紧，力矩相同，可以排除（2）项因素；
本机所有连杆螺栓拆检后清洗检查，加工精度较高，没有异常缺陷，可以排除（3）项因素；
检查本机运动机构润滑系统：本机的运动机构（曲轴、连杆、十字头等）采用强制润滑。整个润滑油系统由轴头泵和稀油站及管路组成。稀油站由辅油泵、双联过滤器、冷却器、安全阀及溢流阀等组成。润滑油由机身内的进油管进入各轴承盖，经过主轴承润滑主轴颈并进入曲轴上的油孔，经过连杆体内油孔流向十字头销并润滑十字头滑板，油系统通畅，可以排除（6）项因素；
检查检修记录，连杆大头瓦间隙在技术要求范围内，排除（5）项因素；
检查开车程序，开机前先启动辅助油泵润滑各摩擦部位，当油压＞0.25MPa(G)，压缩机主电机可以启动。压缩机工作中，如果油压≥0.4MPa(G)时报警手动停辅助油泵，油压≤0.25MPa(G)时报警启动辅助油泵，油压≤0.15MPa(G)时主电机立即停机，以保证摩擦部位不至于因无润滑油而损坏，油压可通过稀油站上的自立式调节阀进行调整，油泵的供油压力应为0.35～0.4MPa(G)。机身内的油位高度可以从机身上的油位指示器上观察，最高油位应不至于接触曲轴、连杆；最低油位应保证吸油口不露出油面，本机机身油池最大注油量约为325升。本机油池采用恒温电加热器，当油温≥0℃时允许开辅助油泵，当油温≥10℃时允许开启压缩机。开机程序符合厂家要求，油路运行正常，不会出现供油不足或中断。
本机严格按照厂家要求，运动部件润滑油选用GB12691-90标准中规定的L-DAB 100压缩机油
粘度 (40℃) 90～110mm2/S
闪点 (开口) ≥205℃
倾点 ≤-9℃
查阅上次检修记录，与检修描述，连杆两根抗拉螺栓将其连接成一体，连杆大头瓦为剖分式，瓦背材料为20号钢，瓦面为轴承合金，两端翻边做轴向定位，大头孔内侧表面镶有圆柱销，用于大头瓦径向定位，防止轴瓦转动。连杆小头及小头衬套为整体式，衬套材料为锡青铜。连杆体内沿杆体轴向钻有油孔，并与大小头瓦背环槽连通，润滑油经环形槽并通过轴瓦上的径向油孔实现对曲柄销的润滑。为确保连杆安全可靠地传递交变载荷，连杆螺栓紧固时，均采用扭矩扳手紧固，有足够预紧力保证，其预紧力的大小通过测量连杆螺栓紧固后的伸长量，达到技术要求。检修时时采用的是随机所带的螺栓伸长量测量专用工具进行测定，在检修螺栓紧固上没有问题。查阅厂家技术规范，在连杆使用周期有要求，连杆螺栓工作时间累积超过16000小时，必须报废更换。但本机组运行周期已经超过四年，虽经过一次大修，但未按照厂家要求，到周期未更换连杆螺栓，认为经过着色探伤没有问题，就超期使用。
通过对螺栓的断口形貌进行了分析，对其化学成分，显微组织和硬度等进行了理化分析。断裂连杆螺栓的组织分布不均匀，夹杂物较多，力学性能下降，在交变载荷作用下，最终发生早期疲劳失效。通过金相组织、扫描电镜等的检验分析，结果表明，在交变载荷的作用下，该压缩机的一根连杆螺栓首先疲劳断裂；随之另一根连杆螺栓因过载而被拉滑扣，最终导致轴瓦烧坏。
六、压缩机维护注意事项
通过本次连杆螺栓断裂暴露出往复式压缩机核心易损件到期必须进行更换的问题的严肃性，最终经各级部门讨论，优化了机组检修方案。
来源：本站原创
文/洛阳石化三隆公司动设备 孙应辉
一、引言
往复式压缩机的连杆组由连杆体、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓（或螺钉）等组成。连杆组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨，造成压缩机严重损坏。
二、机组概述
柴油加氢装置VPSA解析气压缩机K-302A/B由国内某公司生产，型号为4M20-198/0.1-6.5，两级对称双吸双排平衡型往复式气体压缩机。机组设置两个强制润滑系统：一是传动部分（曲轴、十字头）；二是工作部分（气缸、填料函）润滑系统。该机组的每个气缸套和填料函都采用了循环软化水冷却系统。机组的所有吸气阀均装有气量调节器，分为0%、50%、100%三个档次。
压缩机主要技术规范：
VPSA解析气压缩机抽气能力为11000Nm3/h，进口压0.01MPa(G)，出口压力0.65MPa(G)。
压缩机
（1）流量 11000Nm3/min
（2）前一级吸气压力 0.01MPa(G)
后一级吸气压力 0.01MPa(G)
（3）前一级排气压力 0.18MPa(G)
后一级排气压力 0.18MPa(G)
（4）前二级吸气压力 0.18MPa(G)
后二级吸气压力 0.18MPa(G)
（5）前二级排气压力 0.65MPa(G)
后二级排气压力 0.65MPa(G)
（6）前一级吸气温度 40℃
后一级吸气温度 40℃
（7）前一级排气温度 107℃
后一级排气温度 107℃
（8）前二级吸气温度 40℃
后二级吸气温度 40℃
（9）前二级排气温度 112℃
后二级排气温度 112℃
（10）各级缸径 910/585 mm
（11）活塞行程 280mm
（12）曲轴转速 375r/min
主电机
（1）型式 增安型三相异步电动机
（2）额定功率 1250kW
（3）额定电压 10000V
（4）额定电流 125.3A
（5）转速（额定转速） 375r/min
三、连杆断裂故障描述
2020年12月11日15∶18时，柴油加氢装置解析气压缩机K-302A在切机运行过程中，突然出现机组振动，随即曲轴箱振动探头联锁停机，运行人员在现场观察到曲轴箱有冒烟现象。在紧急切机后，具备检修条件，维护人员打开曲轴箱盖，发现后一级连杆螺栓已断裂，另一条滑扣螺母与杆粘死，连杆大头瓦巴士合金脱层烧熔。最终用角磨机切断粘死螺栓才将连杆取出。
四、分析检查
通常我们认为，连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。所以，在连杆外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预期效果。连杆螺栓承受很大的交变载荷，是运动机构中受力情况最严重的零件。它要有足够的抗拉强度和抗疲劳性，因此在选材、制造包括过渡圆角和粗糙度、检修装配都不可掉以轻心。
五、连杆螺栓断裂的原因
（1）螺栓头部、螺母与连杆上的支承面没垂直贴合紧密。
（2）螺母没有拧紧，止退措施失效。
（3）螺栓应力集中的敏感部位精度不够，如螺纹、退刀槽、过渡圆角、大小头孔平行度等。
（4）螺栓疲劳或接近疲劳又受附加力的冲击造成断裂。
（5）与轴瓦、铜套的配合间隙不当，出现偏磨、烧研。
（6）连杆油路堵塞，不过油。
根据当时检修情况，连杆螺栓与连杆接触支撑面均用油石研磨，可以排除（1）项因素；
连杆螺母均采用随机扭矩扳手统一上紧，力矩相同，可以排除（2）项因素；
本机所有连杆螺栓拆检后清洗检查，加工精度较高，没有异常缺陷，可以排除（3）项因素；
检查本机运动机构润滑系统：本机的运动机构（曲轴、连杆、十字头等）采用强制润滑。整个润滑油系统由轴头泵和稀油站及管路组成。稀油站由辅油泵、双联过滤器、冷却器、安全阀及溢流阀等组成。润滑油由机身内的进油管进入各轴承盖，经过主轴承润滑主轴颈并进入曲轴上的油孔，经过连杆体内油孔流向十字头销并润滑十字头滑板，油系统通畅，可以排除（6）项因素；
检查检修记录，连杆大头瓦间隙在技术要求范围内，排除（5）项因素；
检查开车程序，开机前先启动辅助油泵润滑各摩擦部位，当油压＞0.25MPa(G)，压缩机主电机可以启动。压缩机工作中，如果油压≥0.4MPa(G)时报警手动停辅助油泵，油压≤0.25MPa(G)时报警启动辅助油泵，油压≤0.15MPa(G)时主电机立即停机，以保证摩擦部位不至于因无润滑油而损坏，油压可通过稀油站上的自立式调节阀进行调整，油泵的供油压力应为0.35～0.4MPa(G)。机身内的油位高度可以从机身上的油位指示器上观察，最高油位应不至于接触曲轴、连杆；最低油位应保证吸油口不露出油面，本机机身油池最大注油量约为325升。本机油池采用恒温电加热器，当油温≥0℃时允许开辅助油泵，当油温≥10℃时允许开启压缩机。开机程序符合厂家要求，油路运行正常，不会出现供油不足或中断。
本机严格按照厂家要求，运动部件润滑油选用GB12691-90标准中规定的L-DAB 100压缩机油
粘度 (40℃) 90～110mm2/S
闪点 (开口) ≥205℃
倾点 ≤-9℃
查阅上次检修记录，与检修描述，连杆两根抗拉螺栓将其连接成一体，连杆大头瓦为剖分式，瓦背材料为20号钢，瓦面为轴承合金，两端翻边做轴向定位，大头孔内侧表面镶有圆柱销，用于大头瓦径向定位，防止轴瓦转动。连杆小头及小头衬套为整体式，衬套材料为锡青铜。连杆体内沿杆体轴向钻有油孔，并与大小头瓦背环槽连通，润滑油经环形槽并通过轴瓦上的径向油孔实现对曲柄销的润滑。为确保连杆安全可靠地传递交变载荷，连杆螺栓紧固时，均采用扭矩扳手紧固，有足够预紧力保证，其预紧力的大小通过测量连杆螺栓紧固后的伸长量，达到技术要求。检修时时采用的是随机所带的螺栓伸长量测量专用工具进行测定，在检修螺栓紧固上没有问题。查阅厂家技术规范，在连杆使用周期有要求，连杆螺栓工作时间累积超过16000小时，必须报废更换。但本机组运行周期已经超过四年，虽经过一次大修，但未按照厂家要求，到周期未更换连杆螺栓，认为经过着色探伤没有问题，就超期使用。
通过对螺栓的断口形貌进行了分析，对其化学成分，显微组织和硬度等进行了理化分析。断裂连杆螺栓的组织分布不均匀，夹杂物较多，力学性能下降，在交变载荷作用下，最终发生早期疲劳失效。通过金相组织、扫描电镜等的检验分析，结果表明，在交变载荷的作用下，该压缩机的一根连杆螺栓首先疲劳断裂；随之另一根连杆螺栓因过载而被拉滑扣，最终导致轴瓦烧坏。
六、压缩机维护注意事项
通过本次连杆螺栓断裂暴露出往复式压缩机核心易损件到期必须进行更换的问题的严肃性，最终经各级部门讨论，优化了机组检修方案。
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