新型甲烷式压缩设施杆开裂的问题剖析

　　1机组主要参数

　　一级入口压力： 0. 592M Pa；一级出口压力： 2. 243M Pa；一级入口流量： 6833kg/ h；二级入口压力： 2. 218M Pa；二级出口压力： 4. 053M Pa；二级入口流量： 4227kg/ h；转速： 327r/ min；轴功率： 725kW.

　　2活塞杆断裂情况

　　该压缩机为对称平衡型压缩机，断裂的活塞杆均为一级活塞杆。活塞杆断裂主要发生在活塞杆与活塞连接螺纹处和活塞杆与十字头螺纹连接处，断裂部位在ⅠDⅠ截面和ⅡDⅡ截面所示。

　　宏观断面有两种类型：一类断口表面比较平滑，断面无明显的塑性变形，属典型的疲劳断裂，有疲劳源、扩展区和终断区；另一类断口断面不平齐，表面呈锥状凸起，由两个凸台组成，中间有一条突变分界线，裂纹源处有丝状纤维断口，表面粗糙，这类断口主要在ⅡDⅡ截面处。

　　3活塞杆疲劳强度校核

　　活塞杆与活塞、十字头均采用螺纹连接，其结构所示。

　　对于ⅠDⅠ截面，活塞杆在运动过程中的受力可分为两部分：一部分是活塞杆在安装时，将活塞杆加热伸长后为防松而产生的预拉力，一部分为运动时气体压缩产生的活塞力。

　　对于ⅡDⅡ截面，活塞杆受力也可分为两部分：即十字头锁紧螺母预紧产生的预紧力和活塞力。

　　3. 1活塞力一级汽缸直径为521mm，活塞力计算如下：轴侧：p轴= p 2（ 1+ d） A 2 - p 1（ 1- s） A 1盖侧：p盖= p 1（ 1- s） A 2 - p 2（ 1+ d） A 1式中： p轴， p盖DD轴侧、盖侧的气体力， N；p 1， p 2DD一级缸进、排气压力， M Pa；s，dDD一级缸进、排气系数，取s = 0. 029，d = 0. 048；A 1DD盖侧活塞有效面积， m 2；A 2DD轴侧活塞有效面积， m 2。

　　经计算：p轴= 363779. 99N p盖= - 381970. 719N

　　3. 2活塞端活塞杆连接螺纹疲劳强度校核活塞端活塞杆锁紧螺母的预紧方法是，将有加热孔的活塞杆用电加热棒加热伸长，然后将锁紧螺母在冷态旋紧的基础上，再旋紧60°，待活塞杆冷却后产生预紧力。

　　活塞杆在运行过程中，承受的是交变载荷，按设计规范要求，应进行疲劳计算，并应校核应力幅的安全系数n a和*大应力安全系数n，使n %DD表面质量系数，车制螺纹%= 1，辊压螺纹%= 1. 25，原机所配进口活塞杆螺纹采用辊压法加工与许用安全系数相比，ⅠDⅠ截面的应力幅安全系数n a和*大应力安全系数n都小于许用安全系数，疲劳强度不够。实际运行中，压缩机A机与B机*初的断裂都是在ⅠDⅠ截面发生的，这与上述计算结果是一致的。

　　3. 3活塞杆与十字头连接螺纹的疲劳强度校核十字头端活塞杆锁紧螺母的预紧方法是，先将锁紧螺母自然上紧，然后通过12个预紧螺钉的反作用力使活塞杆与十字头产生预紧。

　　4国产化活塞杆强度校核

　　原机所配进口活塞杆发生断裂后，我们曾采用40Cr和42CrM o加工的活塞杆，均发生断裂，断裂部位有的在ⅠDⅠ截面处，有的在ⅡDⅡ截面处。

　　40Cr的机械性能如下：对于国产化活塞杆，连接螺纹是采用车削法加工的，其表面质量系数%= 1，因此，计算ⅠDⅠ截面的工作安全系数如下：从上述计算可以看出，对于国产化活塞杆，不论是40Cr还是42CrMo，因为活塞杆螺纹是采用车削法加工，其应力幅安全系数和*大应力安全系数均小于许用安全系数，在ⅠDⅠ截面和ⅡDⅡ截面处的疲劳强度不够。

　　5结论

　　从上述分析、计算可见，此活塞杆ⅠDⅠ截面在设计时就存在疲劳强度不足、活塞杆直径偏细、气缸直径偏大、活塞力过大的缺陷，经过一段时间运行，会出现裂纹，并继续扩展，当达到一定限度时，活塞杆就发生了断裂。

　　检修安装时，活塞杆锁紧螺母预紧不足或预紧不均匀，会造成锁紧螺母松动，撞击而产生断裂。

　　对于国产化活塞杆，由于采用车削法加工，其表面质量系数偏低，ⅠDⅠ截面和ⅡDⅡ截面处安全系数都小于许用安全系数，疲劳强度不足，*终发生断裂。

　　另外，国产化活塞杆在热处理后，硬度分布不均，材料局部强度变化比较大。在强度较低的部位，先发生断裂。所以，其断裂部位在ⅠDⅠ截面和ⅡDⅡ截面都有发生。在使用国产化活塞杆后发生频繁断裂，还有一个因素是由于活塞杆断裂后，造成缸体发生剧烈撞击，气缸、中体的水平度和同心度发生了变化。经测量，气缸水平度为0. 12mm/ m，活塞杆跳动内死点比外死点高0. 15mm，缩短了活塞杆的使用时间，活塞杆发生疲劳断裂。

　　一级连杆在活塞杆断裂后发生撞击，大头瓦和小头瓦的中心线平行度发生变化，平行度为0. 90mm/ m，致使活塞杆在做往复运动时，受力不均，ⅡDⅡ截面上还受一个交变剪应力。

　　根据上述分析，提出如下措施及建议：a）将活塞杆直径由&89改为&110，相应地，一级气缸缸座、填料部件、中间填料部件、档油盘部件、刮油环部件做适当改造。

　　b）活塞杆与十字头采用无螺纹的液压压力体连接方式，活塞端的连接螺纹采用辊压法加工，以提高活塞杆螺纹的表面质量和疲劳强度。

　　c）更换平行度超差的连杆配件。

　　d）在适当时机，对压缩机解体大修，重新安装找正，以消除各种安装参数公差超标引起的故障。

　　e）在活塞杆与活塞连接上，严格加热预紧的工序，避免预紧不够，使活塞杆锁紧螺母在运行中发生松动，造成撞击使活塞杆断裂，活塞破碎。

　　f）活塞杆材料应采用42CrMo或机械性能高于42CrM o的材料，经过热处理后，材料的强度极限尽量达到900MPa左右。

　　g）在安装十字头端锁紧螺母时，预紧力一定要足够、均匀，否则，ⅡDⅡ截面处的应力幅增加，疲劳断裂的可能性增加，活塞杆寿命缩短。