重整增压氢压缩机GB302D活塞杆断裂原因分析及对策.pdf

书书书故 障 分 析 年 期（总第 期）重整增压氢压缩机 活塞杆断裂原因分析及对策黄子超，薛成宝（中国石化扬子石化芳烃厂，江苏 南京 ；沈阳申元气体压缩机有限责任公司，辽宁 沈阳 ）摘要：针对重整氢压缩机活塞杆断裂的情况，分析其断裂原因，提出改进措施，对比改造前后压缩机组运行可靠性，说明压缩机活塞杆的改造取得了较好效果。关键词：重整；氢气；压缩机；活塞杆；改进中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，；，）：，：；引言重整装置是炼油化工企业的核心装置，其主要目的是以石脑油等为原料生产高辛烷值汽油组分或芳烃基本化工原料，同时提供大量廉价的氢气。某石化公司 重整装置采用的是美国 公司开发的第一代连续重整技术，原设计为 万 ，年改造后扩大到现在的 万 （年运行时间按 计）。重整装置副产氢增压后，与重整生产油再接触，经过深冷提纯、脱氯、碱洗后，供其他装置使用。为往复压缩机，用于对重整氢进行增压，一旦该机组出现故障，将直接影响装置氢气系统，进而影响其他用氢装置的安稳生产。机组概况 为芳烃厂 重整装置增压氢压缩机机，该机组于 年月技改增设，型号 ，为两级四缸、卧式、对称平衡往复活塞压缩机，具体工艺参数见表 。故 障 分 析 年 期（总第 期）表 技术参数介质 约 烃一级进气温度 轴功率 一级排气温度 打气量 二级进气温度 转速 二级排气温度 行程 一级压缩比 一级进气压力 （表压）二级压缩比 二级进气压力 （表压）容积比 一级排气压力 （表压）活塞直径 （一级）（二级）二级排气压力 （表压）制造厂商 活塞杆断裂 年 月 日凌晨 ：，当班班组发现 机发出异响，遂果断停机，并安排泄压等工艺处理。停机后，立即对该机组进行检查，发现外侧二级缸活塞杆在与十字头连接法兰盘锁紧螺母螺纹根部处断裂。曾于 年出现过一次活塞杆断裂故障，断裂部位与此次故障基本相同。活塞杆断裂原因分析故障发生后，在组织机组进行抢修的同时，扬子石化芳烃厂立即组织召开专题会，回顾了该机组日常维护与定期检修过程，对故障原因进行分析。在确定活塞杆材质及加工质量无明显异常的基础上，明确了从活塞杆设计的安全性方面对断裂原因进行分析。活塞杆特征 一、二级活塞杆材质均为 ，杆径均为 ，表面采用高频淬火处理，两端与活塞及十字头相连，其中，活塞杆与十字头的连接，首先通过液压螺栓将活塞杆与法兰盘固定在一起，然后将法兰盘与十字头进行螺栓连接。活塞杆安全系数复核针对断裂活塞杆应力水平及紧固螺纹进行了重新核算，结果如下。针对活塞杆弹性杆部分预紧力核算及与安全系数的对比（）弹性杆部分预紧力（）（注：分别是压力体受力面的外径与内径，为打压压力）（）弹性杆部分杆受应力 （注：为活塞杆弹性部分直径）（）运转时应力幅受压件法兰、锁紧螺母压缩量 （注：是受压件长度，是受压件截面积）弹性杆部分伸长量 （注：为活塞杆弹性部分小径 大经；分别是 杆段长度）应力幅 （注：为该机组杆载荷）（）运转时应力（弹性杆）但是在实际运行过程中，杆尾端细杆处受力应远比 更大。按材料的屈服极限（最小）应保留 倍安全系数 从以上计算得出，该活塞杆预紧力过大造成屈服强度安全系数偏低。针对紧固螺纹分析在 机组抢修的过程中，我们重点关注了活塞杆部分的伸长量，发现活塞杆在打压至 （根据核算打压压力从 调整至故 障 分 析 年 期（总第 期），并加长弹性杆长度和加厚锁紧螺母厚度）时伸长量为 ，锁紧螺母再泄压后，弹性杆回弹 ，伸长量剩余 。根据弹性杆受力和柔度计算弹性杆部分柔度 （注：为该材料弹性模量；为活塞杆弹性部分小径 大经；分别是加长弹性杆后 杆段长度）以 打压压力为准核算预紧力：（）（注：分别是压力体受力面的外径与内径）因此尾端弹性部分伸长量因为 实际伸长量与核算结果 不符，说明螺纹变形较大，强度不够，易在应力集中处产生裂纹。综合 个部位应力核算，可以判定 外侧二级缸活塞杆断裂的原因是由于活塞杆原有弹性部分设计屈服极限安全系数偏低，紧固螺纹强度不足，在往复压缩机固有的交变载荷的长期作用下，共同形成了最终的疲劳断裂。处置措施根据核算结果，讨论认为，要对一、二级活塞杆结构实施改进以提高机组的本质安全。方案的确定受制于压缩机中体的空间尺寸，要提高活塞杆弹性部分屈服极限安全系数以及紧固螺母相应螺纹的强度，现有活塞杆的弹性部分已没有改造余地。因此，选择对活塞杆与十字头的连接方式进行改型，以实现活塞杆弹性部分安全系数的提升和紧固螺纹强度的增加。经过充分比对，最终选择半液压连接方式，采用半液压联接结构可以对活塞杆的预紧力严格精确控制，使活塞杆主受力部位保持合理的弹性形变。预紧到位可以有效的改善交变应力特性，降低应力幅，不会产生应力集中，防止活塞杆断裂。具体改型内容将活塞杆压力体螺母外径由原有的 放大至 ，厚度由原有的 加厚至 ，经过计算其变形量仅为 ，有效增加了螺母的刚度。同时活塞杆弹性部分直径由原有的 减小为 ，增加了弹性部分的柔性，两相结合，大大减少了活塞杆所承受的应力幅，另外，活塞杆尾部连接螺纹的外径改为 （原螺纹为 ），有效增加了螺纹的强度。改型后活塞杆安全系数核算（）该结构预紧力为 。（）运转时应力幅。受压件法兰、螺母压缩量 弹性杆伸长量 应力幅：（）运转时应力（弹性杆）按材料的屈服极限（最小）应保留 倍安全系数 计算得出，活塞杆弹性部分屈服强度安全系数满足使用要求。经过详细计算，活塞杆弹性部分安全系数可达 ，螺纹处安全系数为 ，远高于原有设计，完全满足使用可靠性需要。有限元分析根据改进方案，从拉伸和压缩 个方面对活塞杆和十字头进行了有限元分析，具体情况如下：分别使用 在活塞杆的摩擦面进行拉伸和压缩试验，从活塞杆或十字头的分析结果来看，改造后活塞杆弹性部分各部件受力状况明显得到优化图 、。（下转第 页）应用与测试 年 期（总第 期）的曲线图。分析发现，图 （）理论计算结果吸气阶段时间较长，转子转角在 到 之间压力始终保持平衡，在 之间，工作腔内气体开始压缩，最后排出。图 （）仿真结果分析可知，吸气速度较快，上升幅度较大，在气体排出阶段，出现一定的压力波动，这主要是在进气口起始角度值的设置所引起。吸气起始角度值较小，吸气封闭容积减小，导致在吸气起始很短的一段时间内，气体就可以快速进入腔体内部，引起局部的压力升高，这一现象是合理的。结论本研究以 齿双螺杆空压机为研究对象，以衡量双螺杆压缩机性能优劣的功率、流量、比功率、压力四大重要工作参数为研究内容，利用 和 软件为研究手段，建立了双螺杆压缩机 流体域模型，采用动网格技术分析了四大工作性能参数在瞬态流场特性下的变化规律。搭建了试验平台，阐述了试验系统的工作原理，并把仿真结果与试验数据做对比分析，得到以下结论。（）仿真结果的平均压力值为 ，试验结果值 ，压力差异率为 ，表明本研究采用的研究方法和 模型建立具有合理性。（）功率仿真数据与试验数据相比较差异率为 ，排气量差异率为 ，比功率差异率为 ，差异率均小于 ，吻合度较好。表明本研究采用的模拟方法在一定程度可以代替试验，节约研制成本，缩短了研制周期。（）通过仿真得到了双螺杆压缩机 变化曲线图、变化曲线图，并分别与理论值做对比分析，发现仿真曲线与理论曲线吻合度较好，进一步验证了仿真结果的正确性，完善了目前双螺杆压缩机性能参数研究存在着单一性、缺乏系统性、综合性不足等问题，为后续对双螺杆压缩机工作性能的深入研究与结构优化提供了一种新思路。参考文献：，（）：程宝生，肖银娥，郑鹏程 螺杆空压机轴功率系数工程计算及应用研究 压缩机技术，（）：谭强 矿山气动机械耗气量与空压机容积流量的匹配关系研究 通用机械，（）：刘海芬 空气动力用螺杆压缩机市场现状透析与前景展望 通用机械，（）：王小明，田岗，罗嗣骁，等 平衡式双螺杆压缩机数值模型构建与数值模拟 机床与液压，（）：卢超 双螺杆压缩机的集成技术及应用 浙江大学，孙华文 基于非结构动网格的内燃机瞬态流场仿真 哈尔滨工程大学，段铭钰，吴承亮，黄逸哲 轴流泵全流道三维定常流场特性分析研究 装备制造技术，（）：陈文 振动液滴内部流场的 模拟和实验研究 重庆大学，江南山 双螺杆压缩机流量、功率计算和软件的开发 压缩机技术，（）：作者简介：饶静（），男，硕士研究生，助教，研究方向为机械工程。：（上接第 页）图 拉伸状态下活塞杆及十字头有限元分析图 压缩状态下活塞杆及十字头有限元分析 改造后使用效果选择装置运行的合适时机，对 活塞杆进行了相应改造，现场根据施工方案要求完成了具体实施，试机运行正常，后经过长周期运行，机组未再出现活塞杆断裂异常情况，运行稳定。参考文献：陈建国，杜培德 型氮氢气循环压缩机活塞杆断裂事故原因分析 流体机械，（）：阳巧玲 氮氢气压缩机活塞杆断裂失效分析 中氮肥，（）：陈建国，杜培德 氮氢气循环压缩机活塞杆疲劳断裂的力学分析 青岛科技大学学报（自然科学版），（）：