二氧化碳壓縮機(jī)低壓缸二段出風(fēng)筒開裂案例分析

趙錚，王利勇

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

該二氧化碳機(jī)組設(shè)計(jì)為低、高壓缸，采用汽輪機(jī)拖動,低、高壓缸間使用齒輪箱變速，各缸間采用膜片聯(lián)軸器，使用公共底座。低壓缸二段6 級，高壓缸二段5 級，介質(zhì)氣為二氧化碳含量98.8%，其余微量氮?dú)?、一氧化碳、氫氣、甲醇，工作轉(zhuǎn)速：5480rpm（低壓缸）、11084rpm（高壓缸）。

2 壓縮機(jī)風(fēng)筒開裂情況

（1）低壓缸二段出風(fēng)筒彎頭處出現(xiàn)裂紋。初始裂紋長度約150mm，停機(jī)前裂紋擴(kuò)大約210mm（圖1）。

（2）低壓缸二段出風(fēng)筒法蘭及配對法蘭斷開后，存在不對中有應(yīng)力的情況(圖2)。

（3）二段出風(fēng)筒后管路彈簧支架，1#彈簧支架載荷過大，位移量在極限，2#彈簧支架載荷支撐柱偏移（圖3）。

（4）該機(jī)組頻發(fā)喘振問題。通過控制系統(tǒng)歷史趨勢查詢，機(jī)組多次發(fā)生喘振問題。

3 排查方向

根據(jù)現(xiàn)場收集、反饋資料，分析問題原因前從以下方面排查。

3.1 排查是否材質(zhì)存在缺陷或焊接存在質(zhì)量問題

復(fù)查二段出風(fēng)筒出廠檢查記錄（包括：材料、生產(chǎn)加工、水壓氣密試驗(yàn)等），符合API、國標(biāo)、風(fēng)標(biāo)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，根據(jù)紀(jì)錄顯示，出廠為合格產(chǎn)品，不是造成風(fēng)筒裂紋的原因。

3.2 排查設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、風(fēng)筒應(yīng)力及強(qiáng)度、管口最大力及力矩等是否存在問題

（1）風(fēng)筒設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)經(jīng)過復(fù)核，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范及使用要求。同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，在其他用戶現(xiàn)場使用，風(fēng)筒未發(fā)生裂紋問題。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，經(jīng)過相關(guān)檢查合格出廠，在正常使用過程中，不會發(fā)生問題。

圖1

圖2

圖3

（2）復(fù)查風(fēng)筒應(yīng)力及強(qiáng)度滿足要求，根據(jù)三維建模分析，最大應(yīng)力部位在“天圓地方與下機(jī)殼焊接處”，而此處部位沒有發(fā)生裂紋問題。反之，說明風(fēng)筒該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下、按照此焊接工藝，正常使用情況下是不會發(fā)生開裂問題。

（3）重新核算管口最大力及力矩滿足要求，與原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基本一致。

（4）風(fēng)筒結(jié)構(gòu)由法蘭、彎板、筋板、彎頭組成，其中彎頭為外購件，形式為整體件或拼焊件均符合標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過消應(yīng)力等檢查工序合格后進(jìn)行端面焊接等工作。經(jīng)過著色、探傷、水壓等檢查合格。且經(jīng)過力學(xué)報告，應(yīng)力、強(qiáng)度均滿足要求。

（5）設(shè)備工廠標(biāo)準(zhǔn)FB44077 中，允許彎頭采用鋼板壓成兩個半圓的焊接方式，且由焊接評定及工藝方案。

4 原因分析

4.1 異常振動及外力“拉拽”，造成風(fēng)筒出現(xiàn)裂紋

根據(jù)現(xiàn)場檢查，風(fēng)筒法蘭處存在應(yīng)力，管道彈簧支架存在問題，直接反應(yīng)情況是，風(fēng)筒法蘭處，反壓縮機(jī)方向有非垂直向下的力。根據(jù)現(xiàn)場反饋，機(jī)組存在頻發(fā)喘振的現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)筒在外力“拉拽”下且疲勞使用，易造成風(fēng)筒開裂問題。

4.2 風(fēng)筒處存在“十字焊縫”，應(yīng)力集中，易造成風(fēng)筒開裂

從表面上看，裂紋位置為二段出風(fēng)筒靠近彎頭立筋端部位置，并以立筋端部為中心向兩端延伸。在清理裂紋的過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，立筋端部位置的裂紋最深，兩側(cè)延伸的裂紋深度不斷減小，可斷定裂紋源應(yīng)該為立筋端部位置。立筋端部在焊接后容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且立筋端部距離彎頭縱向焊縫較近一定程度上增加了產(chǎn)生應(yīng)力集中的概率。壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定:(1)承壓部件不允許存在“十字焊縫”；(2)十字焊縫的縱向或橫向焊縫間距≥100mm，即允許T 型焊縫。

4.3 風(fēng)筒筋板焊縫與彎板縱縫重疊的說明（十字焊縫）

（1）焊殼的風(fēng)筒在設(shè)計(jì)加工過程中，出于對彎板壓型加工過程中可行性的考慮，設(shè)計(jì)成兩側(cè)對稱的結(jié)構(gòu)，便于對板材壓型施工，由于后期環(huán)縫的存在，不可避免地會造成在焊接過程中出現(xiàn)十字交叉焊縫。

（2）風(fēng)筒對接縱縫、環(huán)縫，在焊接后按照工廠標(biāo)準(zhǔn)FB05006 要求均進(jìn)行100%X 射線探傷檢查和著色探傷檢查，符合ASME 第VIII 卷規(guī)定要求，能夠確保焊縫的內(nèi)部以及外部外觀質(zhì)量要求。

（3）風(fēng)筒筋板焊縫是在風(fēng)筒完成100%X 射線與著色檢查后再進(jìn)行拼裝焊接，在此期間包括工件轉(zhuǎn)運(yùn)、X 射線檢查等工序，歷時周期約7 ～10 天，對接縱縫與環(huán)縫起到了自然時效的效果。

（4）焊殼焊接完成后，會進(jìn)熱處理爐消應(yīng)力處理，保證焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力得到良好的釋放。

（5）該結(jié)構(gòu)型式的焊接機(jī)殼，廠家已有超過1000 套的業(yè)績，均未發(fā)生類似問題。

綜上所述，該筋板處的焊接應(yīng)力集中問題不是造成本次彎頭開裂的主要原因。

5 總結(jié)

從目前分析發(fā)生該問題主因：機(jī)組低壓缸二段出風(fēng)筒，可能由于安裝原因，在風(fēng)筒法蘭處存在應(yīng)力，配對法蘭后續(xù)管路彈簧支架存在載荷過大及載荷支柱偏心，此狀態(tài)下，對壓縮機(jī)“風(fēng)筒”而言，存在一個反方向非垂直向下的外力“拉拽”。另機(jī)組頻發(fā)喘振問題，加大風(fēng)筒處振動，二段出風(fēng)筒在此工作狀況下，彎頭處發(fā)生開裂。

次因：風(fēng)筒上“彎頭”“天圓地方”“立筋”，組合焊接后存在“十字焊縫”。在標(biāo)準(zhǔn)上沒有規(guī)定絕對不允許使用，但因存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在“外力作用下”會加劇風(fēng)筒開裂。

6 建議

（1）重新復(fù)核管路應(yīng)力，確保風(fēng)筒法蘭處無應(yīng)力連接，更改后的氣管路滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）重新復(fù)核管路彈簧支架，選用滿足使用要求的彈簧支架，確認(rèn)合理的安裝位置。

（3）由于機(jī)組頻發(fā)喘振屬于非正?，F(xiàn)象，振動值迅速增加，二段出風(fēng)筒在疲勞工作狀態(tài)下易發(fā)生開裂，建議調(diào)整工藝流程，確保進(jìn)入壓縮機(jī)的氣源接近設(shè)計(jì)條件。

（4）風(fēng)筒上彎頭建議更換為整體鍛件的結(jié)構(gòu)，避免與“天圓地方”“立筋”組合后存在十字焊縫，有造成應(yīng)力集中的隱患。

（5）為了保證焊縫的焊接質(zhì)量，防止出風(fēng)筒焊后產(chǎn)生偏差，無法確保與配對風(fēng)筒的密封連接，確保風(fēng)筒焊接后的殘余應(yīng)力能得到充分釋放及風(fēng)筒進(jìn)行水壓及氣密試驗(yàn)保證長期使用，建議下機(jī)殼返回原廠修復(fù)處理。