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

許思維

（中國(guó)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(guò)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(wú)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(guò)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(méi)有無(wú)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(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。

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(wú)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(guó)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(méi)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(guò)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(méi)有圓滑過(guò)渡，導(dǎo)致螺栓在預(yù)緊過(guò)程中沒(méi)有處于拉伸狀態(tài)，在壓縮機(jī)的運(yùn)行過(guò)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(kāi)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(méi)有無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)，停機(jī)時(shí)只能通過(guò)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(guò)快導(dǎo)致密封O 圈中的氫分子無(wú)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(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證機(jī)組開(kāi)停機(jī)的平順性。平時(shí)要進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)組開(kāi)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。