黃 平

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川瀘州 646000）

0 引言

天然氣的生產和輸送離不開天然氣壓縮機組。目前大部分天然氣壓縮機組采用燃料氣（燃油）發(fā)動機作為驅動機，即燃料氣（燃油）燃燒產生的內能，通過曲柄連桿機構將動力活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動，以提供壓縮機所需的機械能，而氣門是燃氣（燃油）發(fā)動機的重要組成部分。發(fā)動機氣門分為進氣門（Intake Valve）和排氣門（Exhaust Valve），進氣門的作用是將空氣吸入發(fā)動機內與燃料混合燃燒，排氣門的作用是將燃燒后的廢氣排出并散熱。

1 基本情況

2015 年6 月，某處理站首次投用5 臺分體式天然氣壓縮機組，該機組驅動機采用卡特彼勒公司生產四沖程、直列8 缸、渦輪增壓、中冷、燃氣發(fā)動機G3608TA，每個氣缸布置有4 只氣門，即2 只進氣門和2 只排氣門組成。氣門是由氣門頭部和桿部組成，氣門頭部溫度很高，同時承受氣體的壓力、氣門彈簧的作用力和傳動組件慣性力，所以要求氣門必須有一定強度、剛度、耐熱和耐磨性能（圖1）。

2 故障描述

2018 年2 月至2019 年1 月近11 個月的時間內，在機組正常運轉情況下，發(fā)動機缸蓋排氣門在不同時段多次突發(fā)排氣門閥桿斷裂、氣門閥盤（氣門頭部）落入缸體內事件（圖2）。氣門閥盤掉入氣缸，引發(fā)機組強烈的敲擊聲并伴有異常振動，機組巡檢人員現(xiàn)場實施緊急停機，嚴重時機組則高爆燃保護故障自停。掉入缸內閥盤造成發(fā)動機缸蓋和活塞有不同程度的損傷，缸蓋與活塞損壞無法修復，更為嚴重的是斷裂閥盤與活塞、缸蓋撞擊所產生的金屬碎塊隨排氣通道進入廢氣渦輪增壓器，導致渦輪增壓器廢氣葉輪損壞，使渦輪增壓器無法再用，需送廠大修。

3 原因分析

技術人員綜合不同時段所發(fā)生排氣門斷裂事故，經比對發(fā)現(xiàn)排氣門閥桿斷裂故障擁有4 個共同特征：①斷裂部位基本一致，即在閥盤端以上60～70 mm 附近；②閥桿斷口整齊，均垂直于氣門桿；③斷裂的都是排氣門；④該故障發(fā)生在機組運行12 000～19 000 h。

（1）對斷裂的排氣門做金相分析。排氣門至少由2 種材料組合，閥桿頂部經淬火高溫回火，組織為索氏體，硬度為32 HRC，表層有0.04 mm 鍍Cr 層；閥盤組織為奧氏體，硬度為32.2 HRC；閥桿中部距閥盤60 mm 處組織為球狀珠光體，表面鍍Cr 層已被腐蝕，硬度為32 HRC。排氣門盤錐面受高溫腐蝕，組織發(fā)生明顯轉變，錐面上有多處開裂，桿體上鍍層消失，有腐蝕產物和腐蝕坑。

（2）斷口分析。斷口表面有藍褐色氧化特征，為多源表面撕裂，源區(qū)有臺階，說明使用上存在應力集中，裂紋擴展區(qū)主要表現(xiàn)為疲勞條紋和二次裂紋。斷口分析結果是閥桿斷裂是腐蝕疲勞?？ㄌ乇死展尽禛3600 發(fā)動機操作、維修手冊》推薦G3608TA 發(fā)動機缸蓋大修時間是20 000 h，幾起排氣門發(fā)生斷裂時間均在12 000～19 000 h，尚未達到維修手冊規(guī)定的缸蓋大修時間；其次氣閥不應該斷裂，只應是磨損和腐蝕。

圖1 進排氣門積碳情況

圖2 發(fā)動機缸蓋進排氣機構

綜上，該處理站所發(fā)生的排氣門閥盤掉缸事故是由排氣門質量問題而引發(fā)的機械事故。進氣門一般采用合金鋼（鉻鋼、鎳鉻鋼），排氣門采用耐熱合金（硅鉻鋼）。該發(fā)動機為了節(jié)省耐熱合金，排氣門頭部用耐熱合金，而桿部用鉻鋼，經特殊工藝對接而成，排氣門在高溫、高壓廢氣的作用下機械強度下降，在對焊部位斷裂，屬于產品質量問題。

4 處置措施

為了避免機組使用期間部分總成、組件不達規(guī)定修理時間便出現(xiàn)異常損壞，維修人員采取以下措施：①適當修正總成或組件大修時間，機組運行8000 h 即對缸蓋實施檢修，強制更換排氣門，防止再發(fā)生類似事件；②將G3608TA 發(fā)動機使用中出現(xiàn)排氣門斷裂異常情況反饋給卡特彼勒公司，分析原因，改進加工工藝，提升產品質量。經采取上述措施后，隱患得到消除，機組2019 年未再發(fā)生排氣門掉缸事故。