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气体压缩机活塞杆失效分析
V. Mitrofanov and S. N. Baryshov

摘要

阐述了压缩机活塞杆故障导致压缩机停机的算法和结果。结果表明，杆发生故障的原因，并在螺纹根部有设计不疲劳裂纹生长形成。提高疲劳寿命和预防压缩机活塞杆失效的建议。

关键词：天然气和油，活塞式压缩机，活塞失效分析与预防

压缩和各种属性和参数抽气体活塞式气体压缩机（PGC）是在天然气和石油的生产和加工工业园区的生产设施必不可少的设备。工艺过程（与各种后果和损害赔偿）在这些设施的损坏往往与所使用的PGC的失败联系在一起。统计学[2-4]，出现PGC故障的60％以上，由于设计上的缺陷和制造的零部件和PGC的组件的质量较低。
如今，在俄罗斯天然气生产和加工设备，大量的PGC的正在操作的2-3倍以上超出其额定寿命[3，4]。作为该PGC的操作时间的增加，它们的性质（强度，可靠性，安全性，效率等）恶化不可逆，这会为他们的进一步操作过程中增加的故障概率目标理由。有鉴于PGC故障的高潜在风险，它分析了失败的原因，以便为他们的预防措施，并确保的天然气生产和加工设施的安全运行是非常重要的。
在本文中，我们提出了方式方法，报道的PGC的第二阶段的杆失败的原因分析结果，并建议采取措施对PGC的（例子中由沃辛顿建造预先阻止类似故障，法国）已在国内大型天然气处理工厂自1978年以来（35年以上一直在运作）。该PGC的显着的技术特征是：类型 - 两阶段，双作用（之前和缸的活塞空间后使用）;工作介质 - 清洁天然气;曲轴转速300转;直径/第二级活塞四百零六分之四百七十〇毫米的行程;压缩比2;驱动电机3.2兆瓦的电力;吞吐量35585立方米/小时;体重38500千克。
在PGC的操作的原理相一致（图1），从十字头5的往复运动是通过力分量传递到活塞12，即，在杆9（该PGC的耐磨部分需要在实现被更换的限制附近的活塞后空间6）的压盖密封表面的磨损。更换活塞杆在国内工程公司制造。
在一些情况下，该杆被替换失败后（分手），但失败没有引起该PGC的紧急停机。这种失败的原因没有全面分析，因为它被认为失败的原因是工作介质进入气缸的液相的入之前进行的。
图1.第二阶段PGC的操作原理运动图：1）的电动马达; 2）飞轮; 3）吸气缓冲罐; 4）连杆; 5）横梁; 6）活塞后空间轴封; 7）曲轴箱; 8）曲轴; 9）杆; 10）缸; 11）排放缓冲罐; 12）活塞。
‘

图2.故障杆（a）造成PGC（b）故障：1）杆; 2）连杆断裂; 3）半活塞（组件活塞的一半）。

让我们来看看安装在更换破旧一（图2a）的国产杆的失败（该PGC的稳定状态的启动和运行后527小时）。在活塞紧固螺母的螺纹杆的故障引起的该PGC的紧急停机（图2b），相邻的结构和工艺管线。
Analysis of standard
requirements for design,
materials, manufacture,
and operation
Analysis of
manufacture
quality
Analysis of
operation
prehistory
Analysis of state
of fragments
(
broken pieces
)
Analysis of loading
conditions, strength,
and service life
Appraisal
of congruity
Nondestructive
monitoring
(
dimensions,
shape, flaws)
Destructive
monitoring
(
properties, structure
of materials)
Fractography (fracture
structure, origin,
mechanism and
kinetics of fracturing)
Congruous
Yes
No
Analysis of factors of
failure mechanism
realization
Incongruity of design, operating
conditions, material, technology,
and manufacture quality
Conclusion about incongruities
and causes of failure,
recommendation for preventing
future failures and breakdowns
Causes
of failure

图3.算法分析PVC活塞杆失效的原因
分析杆失败的原因（图3），我们研究了其片段，分析设计，结构，和用于该PGC业务文件，关于制造失败活塞杆的质量的信息，有关的故障和故障信息所研究的PGC的操作期间杆和类似人未经液体进入到气缸下标准稳定模式运行。
断杆直径/长度的实心圆杆二千八百四十五分之一百二十零毫米，光滑的圆柱和螺纹部分，凹槽和长笛，并配合不同直径的部分。用于制造所述杆（按照工作绘画和用于制造规格）的坯件是氮化钢38Kh2MYuA的高质量热轧圆钢（∅170毫米）符合国家标准GOST 4543-71 [5]与所需的机械性能：屈服点σ0.2≥859兆帕，强度极限σU≥785兆帕，单位延伸δ≥14％，相对收缩ψ≥40％，对家政冲击强度试件KCU≥59焦耳/平方厘米，而Brinnell硬度HB≥260.为了制造的杆，超声波探伤空白（初步粗加工后）进行检查的情况下缩孔，气泡，叶状结构，裂纹，夹渣，薄片等的表面附近轴封氮化至0.4-0.5毫米的深度达一维氏硬度HV = 1000-1100。沿内径螺纹被倒圆成半径R =0.576毫米和fullered到0.07-0.08毫米的深度。热处理：在930℃淬火并在630℃回火。
基于对制造杆质量监测记录引用的结果（活塞杆证书，材质证明书，收货检查等），其渗层硬度（4％）略有出入的分析发现 - 960-1000 HV代替1000-1100 HV。缺陷和材料的性质不协调，均未发现几何尺寸和制造与质量控制技术的偏差。
测试和PGC的类似设计的操作的史前分析表明，杆的失败和解体了系统的模式。在无故障运行时间，直到接近轴封限制表面磨损范围从300到7000小时，直到在线程分手，从500到5000小时，即无故障运行时间，直到分手，并限制磨损达而异的70％。这可以证明相比于设计值的杆的结构和材料的化妆的参数的值的显著分散。。
破坏性监测，通过标准机械试验确定断裂杆的片段的金属的实际机械性能：σ0.2≥746兆帕，σU≥954兆帕，δ≥18％，ψ≥54％，这符合标准要求。

图4.在螺纹鱼片（a）和根轮廓与线程（×30）的可变曲率（b）内部裂纹：1）根轮廓; 2裂纹; 3）部分具有可变曲率

图5.杆的一个典型的疲劳断裂沿螺纹[2]（a）以及测试杆（B）的断裂：1）断裂形成区; 2）骨折的增长和合并范围; 3）分手区
最低标准要求的差异发现：冲击强度53焦耳/平方厘米（标准≥59焦耳/平方厘米），杆231 HB（标准≥260HB）的中间部分的金属硬度，等等。硬度的差异可能出现，因为实际的杆直径（120 MM）超过38Kh2MYuA钢（70mm）中淬透性的最小临界直径[6]。标准要求不符，没有被发现的金属的化学成分。
上螺纹轮廓邻接断裂的薄切片金相分析的结果揭示了金属的内部裂纹（图4a）2.4-2.8毫米的长度和0.2〜0.3毫米，在几乎所有的螺纹根部开口宽度。在此情况下，裂纹的峰延伸到螺纹根部。
检测到几乎所有的螺纹圆角尺寸和根的形状的差异（图4B）：根不是的圆形状，并与高达至0.1mm半径的可变曲率的部分。根据杆和GOST16093-2004的工作图纸的要求[7]，螺纹根部的曲率必须在具有半径>0.5毫米符号常数。所需的线程四舍五入的任何痕迹注意。受损区域之外收集杆的金属试样的金相分析的结果没有显示出金属既定标准要求的宏观和微观结构的不整合性。
断口分析表明断裂片测试杆，这是典型的疲劳压裂自命的结构，并建立了杆失效的动力学（图5）：在螺纹根部形成疲劳骨折，骨折深的生长的部分，其合并，并在杆的削弱部分的分手。
因此，所执行的测试的结果已经讨论了杆，其为形成和裂缝的生长在螺纹根部的破坏的根本原因。
图6.对在曲轴转杆纵向力F框图角φ：1）的力，由于在气缸中的压力; 2）杆活塞系统的惯性力; 3）对气缸活塞的摩擦力; 4）产生的纵向力。
图7.理论杆疲劳曲线：N - 活塞杆装载周期数，T - 无故障运行PGC时间，ΣA - 应力幅。
在与图1所示的算法一致。 3，装载模式，强度和服务在设计和实际化妆活塞杆的寿命通过计算用的程序进行分析[8,9]。基于第二PGC阶段的指示图，并使用在[8]，我们确定的值和构造的纵向力的图中的活塞杆作为程序的杆活塞系统动态分析的参数的计算结果曲轴（图6）的旋转角的函数（正值对应于张力和负，以压缩）。
人们发现，绝对最大符号变量所得纵向在杆的力（图6）为600千牛顿;一个完整的张力压缩杆负荷周期是在一个单一的曲轴转完成，不对称（偏斜）系数是1.12;在300rpm的稳态曲轴转速，负载周期的频率为5赫兹。
计算已通过在杆螺纹根部的应力集中的理论和有效系数的有限元素法的实际条件，即下被执行时，根可变曲率的条件下（图4b），并设计条件[7]。对于具有可变根曲率的螺纹，应力集中的有效系数比为设计螺纹的1.4倍。
基于该部分的几何参数的值，注册变力，以及应力集中系数，我们确定额定循环应力的幅度中的杆部和在实际情况和设计下的断裂形成的区域中的螺纹根部条件。
使用用于循环（疲劳）强度和所计算的数据所获得的金属的实际的力学特性值和循环应力的幅度，我们构建，基于所述方法假定PNAE G-7-002-86 [9]，所述在裂缝形成区域杆疲劳的理论曲线（图7），其中，1和2是对金属的实际性能和设计版本的最低要求的特性的疲劳曲线; ΣA鼠是在节额定应力的幅度; σa1和σa2是在实际的状态，并在设计中的状态，分别在螺纹根部的表面上的应力的幅度; t1和t2是对应于环状杆强度的标准条件（与金属的实际属性）中的实际状态和在线程的设计版本的用尽无故障运行倍; t3为对应于与金属的螺纹和最小标准属性的设计版本的常规杆的循环强度的标准状态的用尽无故障运行的时间。
根据杆的计算疲劳寿命（图7）：疲劳强度为断裂杆的标准条件是在无故障运行时间t1= 480小时（530小时后发生断裂）耗尽;用于与螺纹轮廓符合设计版本和与该金属，所计算的无故障运行时间，直到疲劳强度T2 =8500 H型耗尽和用于与螺纹轮廓和的最低标准属性杆的实际性能的杆金属T3 =5550小时。在具有可变曲率的螺纹根部一个聚集存在而产生的18倍，其疲劳寿命的螺纹和减小负荷的增加了40％。
损坏的杆的故障自由服务时间的预测估计表明，可以接受的准确度为9%，因此，建议的方法可以建议使用类似的计算。
实际和预测的杆使用寿命和该PGC的预定服务的频率的比较分析表明，杆的实际无故障使用寿命的传播直到解体（480-5000 h）和螺纹轮廓预测寿命和最小性能金属按设计（5550 H）是小于压缩机直到介质修复（7200小时）在预定无故障运行时间，在此期间，预定的拆解，监控和更换气缸 - 活塞组受损部位的被执行出。所以，为了防止杆失败，有必要提高所使用的杆的疲劳寿命，并降低其值的分散，以及进行在气缸 - 活塞组该PGC的修理和它们之前拒绝杆达到预定的疲劳寿命。

结论
1.杆的故障发生是因为在螺纹根部的形成和疲劳裂缝的生长的无故障运行的527h后的活塞螺母附近的螺纹区域。
2.故障裂缝形成并长大由于杆的实际结构参数和所设计的那些之间的不匹配。
3.预测具有结构参数和金属按照设计的最小容许属性杆的螺纹区域的疲劳寿命是小于介质维修之间的压缩机的定无故障运行时间，在此期间，拆解，检查，和更换气缸 - 活塞组的部件都进行。
4.建议通过提高制造技术提高杆的疲劳寿命，螺纹质量监测[ 10 ]，以及重建的杆连杆与十字头与活塞[ 11 ]。额定的无故障运行时间的PGC的气缸活塞组的维修–之间不得超过预测（计算）杆的疲劳寿命。