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        加氫裝置往復(fù)壓縮機(jī)氣缸缸蓋螺栓斷裂原因的分析及對(duì)策

        2022-08-26 13:36:46許思維
        化工技術(shù)與開發(fā) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:螺柱缸蓋斷口

        許思維

        (中國石油廣西石化分公司,廣西 欽州 535000)

        某石化公司加氫裝置的往復(fù)壓縮機(jī),將管網(wǎng)直供的2.1MPa 氫氣經(jīng)三級(jí)壓縮后升壓至16MPa,為加氫反應(yīng)提供所需的氫氣。往復(fù)壓縮機(jī)的一級(jí)缸蓋共有24 根均布的螺栓,規(guī)格為1.375-8 牙,長(zhǎng)度215mm,強(qiáng)度等級(jí)8.8 級(jí)。一級(jí)缸蓋螺栓于2016 年曾斷裂過4 根,2020 年再次發(fā)現(xiàn)斷裂10 根。

        1 斷裂原因分析

        1.1 工藝原因

        壓縮機(jī)一級(jí)排氣的壓力波動(dòng),可能會(huì)導(dǎo)致一級(jí)氣缸端蓋的受力發(fā)生變化,導(dǎo)致螺栓斷裂。查詢DCS 的操作趨勢(shì),泄漏發(fā)生前30d 內(nèi),管網(wǎng)壓力及壓縮機(jī)的各級(jí)操作壓力均無波動(dòng),因此可以排除因工藝操作原因而導(dǎo)致斷裂。

        1.2 腐蝕原因

        一級(jí)缸蓋螺栓的材質(zhì)為40CrMnMo,在富氫環(huán)境下易發(fā)生氫脆,造成應(yīng)力集中,若超過鋼的強(qiáng)度極限,則會(huì)導(dǎo)致螺栓斷裂。螺栓斷裂之前,該部位未發(fā)生氫氣泄漏,且螺栓安裝在缸蓋密封O 圈外側(cè),不與氫氣接觸,不具備發(fā)生氫脆的外部環(huán)境。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行全面檢測(cè),發(fā)現(xiàn)一級(jí)缸蓋螺栓未發(fā)生氫脆,故可排除氫腐蝕情況。

        1.3 安裝原因

        查詢往復(fù)壓縮機(jī)的故障記錄,前期一級(jí)缸蓋螺栓有2 根出現(xiàn)斷裂,更換了2 根螺栓,并將所有螺栓按照壓縮機(jī)廠家建議的850N·m 的力矩值,進(jìn)行了定力矩緊固。該臺(tái)機(jī)組沒有無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng),因此該機(jī)平時(shí)處于備用狀態(tài),不排除其它螺栓已經(jīng)存在微觀損傷的可能,但由于長(zhǎng)期處于備用狀態(tài),損傷沒有體現(xiàn)出來。

        本次螺栓斷裂后,對(duì)一級(jí)氣缸的止點(diǎn)間隙進(jìn)行了測(cè)量。曲軸側(cè)的止點(diǎn)間隙為2.5mm(設(shè)計(jì)值為1.57mm),端蓋側(cè)的止點(diǎn)間隙為70mm(設(shè)計(jì)值為65.89mm),均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。缸內(nèi)未出現(xiàn)磨損,且壓縮機(jī)入口的分液罐內(nèi)無液,可排除氫氣帶液的可能,故可排除撞缸導(dǎo)致的螺栓斷裂。

        1.4 螺栓的材質(zhì)分析

        對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了材質(zhì)分析。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),從螺栓上切取塊狀樣品,用光譜儀等對(duì)螺栓材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明,螺栓材質(zhì)均為中碳鉻錳鉬鋼,成分與壓縮機(jī)廠家提供的螺栓制造標(biāo)準(zhǔn)ASTM A193 B7/B7M 相符,同時(shí)也與國家標(biāo)準(zhǔn)中的40CrMnMo 鋼標(biāo)準(zhǔn)成分相符(表1)。

        表1 螺栓材質(zhì)的分析結(jié)果

        1.5 螺栓的金相分析及硬度測(cè)試

        在顯微鏡下觀察樣品的金相,并用顯微硬度計(jì)對(duì)螺栓進(jìn)行硬度測(cè)試。螺栓橫向截面的金相組織均勻,為sorbite,具有良好的韌性、塑性和較高的強(qiáng)度,因此具有良好的綜合力學(xué)性能。螺栓橫向截面的硬度值均勻,2 根螺栓的硬度相近,HRC 約為35,ASTM A193 B7 要求的螺栓硬度HRC 為35,因此符合制造標(biāo)準(zhǔn)要求。

        1.6 螺栓斷裂的宏觀及低倍分析

        螺栓斷口處沒有明顯的腐蝕破壞,斷口處呈平整瓷質(zhì)狀,顯示有彈性變形;4#螺栓的斷口平坦,有“海灘狀”弧線和瞬斷剪切區(qū),這些螺栓都是從邊緣處斷裂,因此,螺栓斷口處有明顯的疲勞斷裂現(xiàn)象。

        圖1 螺栓斷口的宏觀形貌

        1.7 螺栓的力學(xué)分析

        選取一根送檢螺栓,加工成拉伸試樣,使用AG-100kNG 拉伸試驗(yàn)機(jī),依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)螺栓拉伸試樣進(jìn)行常溫(20℃)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。拉伸實(shí)驗(yàn)后,該試樣中部(有效標(biāo)距內(nèi))發(fā)生了頸縮變形并斷裂,試樣斷口呈杯錐狀,判斷為韌性斷裂(圖2)。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,螺栓的常溫力學(xué)性能(拉伸)符合GB/3077-2015 中40CrMnMo 鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求(表2)。

        圖2 螺栓拉伸試樣斷口的低倍形貌

        表2 螺栓拉伸試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        2 故障原因討論

        1)本次往復(fù)壓縮機(jī)缸蓋螺栓的斷裂,屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂,疲勞裂紋源位于螺桿與螺栓頭部連接處的螺紋末端,此處應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致缸蓋螺栓在工作過程中的往復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生了疲勞斷裂。

        2)原螺栓為通扣等徑螺柱,中間沒有圓滑過渡,導(dǎo)致螺栓在預(yù)緊過程中沒有處于拉伸狀態(tài),在壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中,在氣體的作用下,缸蓋不斷撞擊螺母,因此斷裂位置在螺柱與螺紋的第一道螺紋處。

        3)機(jī)組開停機(jī)時(shí)提速太快,導(dǎo)致螺栓由輕載突然提升至較大載荷而受到?jīng)_擊。停機(jī)卸載后,螺栓處于相對(duì)松弛狀態(tài),與螺母的配合不再緊密,導(dǎo)致偏載,再次運(yùn)行時(shí)加快了疲勞斷裂的產(chǎn)生。

        3 解決措施

        1)加強(qiáng)設(shè)備的檢維修管理,與壓縮機(jī)廠家確認(rèn)機(jī)組易損件的使用壽命,按時(shí)間節(jié)點(diǎn)更換機(jī)組易損件。安裝螺栓時(shí),要嚴(yán)格按照相應(yīng)的操作規(guī)程及力矩值進(jìn)行定力矩緊固,保證各個(gè)螺栓的載荷均勻分布。

        2)螺紋底部是應(yīng)力集中點(diǎn),因此在設(shè)計(jì)螺紋時(shí),可將螺紋底部設(shè)計(jì)成圓角形式,以減小應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)螺紋連接時(shí),可將螺柱中間位置設(shè)置為光桿,在螺柱工作時(shí)中間位置可發(fā)揮彈性桿的能力,減小螺紋根部的應(yīng)力集中。

        3)由于此往復(fù)壓縮機(jī)沒有無級(jí)氣量調(diào)節(jié),停機(jī)時(shí)只能通過50%負(fù)荷進(jìn)行加載/卸載,氣缸內(nèi)的壓力波動(dòng)劇烈,氣缸及螺栓受到的沖擊載荷較大。卸載過快導(dǎo)致密封O 圈中的氫分子無法溢出,造成O圈鼓泡,進(jìn)而降低了密封性,為此需要增加無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng),以保證機(jī)組開停機(jī)的平順性。平時(shí)要進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)組開停機(jī)的操作管理,嚴(yán)格控制機(jī)組加載/卸載的速度,避免負(fù)荷大幅波動(dòng)。

        4)加強(qiáng)日常巡檢工作,將往復(fù)壓縮機(jī)作為重點(diǎn)檢查部位,對(duì)壓縮機(jī)的連接部位進(jìn)行測(cè)漏。進(jìn)一步加強(qiáng)安技裝備管理,確保報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)處于完好狀態(tài)。

        4 結(jié)論

        本文從多個(gè)角度分析壓縮機(jī)一級(jí)氣缸缸蓋螺栓斷裂的原因,最終確定螺栓斷裂屬于低應(yīng)力高周疲勞斷裂。提出了幾項(xiàng)解決措施并加以實(shí)施,解決了一級(jí)氣缸缸蓋螺栓斷裂的隱患,確保了往復(fù)壓縮機(jī)安全可靠長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。

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