氢气压缩机连杆螺栓故障失效浅析

张斌

摘要：本文通过对某制氢装置氢气压缩机左一级连杆螺栓发生断裂现象进行分析，总结出连杆螺栓断裂的根本原因，并制定合理的建议措施进行整改、杜绝此类失效再次发生，为氢气压缩机长周期运行做好保障。

关键词：制氢装置；氢气压缩机；连杆螺栓；原因分析；建议

0 简介

该制氢装置氢气压缩机机组型号：2D32-35/24-36，轴功率：758kw ，压缩机转速：333r/min。2023年2 月23日，机组大修后开机运行，至故障发生时运行约93小时。断裂的连杆螺栓是单级两列往复压缩机的曲轴连杆螺栓，该螺栓的作用是将大头瓦固定在曲轴的曲拐上，设备运转时，连杆螺栓承受交变载荷，连杆螺栓每运行一圈有半圈受拉力作用，还有一定的曲轴引起的弯曲力矩，另半圈除预紧固拉力和曲轴引起的弯曲力矩外，工作拉力相对较小，类似正弦波形状 ，往复机运转速度333 r/min ，即载荷交变频率也是333 次变化／分钟，活塞力为32吨，转化到连杆螺栓上，单根连杆螺栓承受的最大设计拉力为16  吨，螺栓紧固预紧是控制伸长量，伸长量为0.75+0.05mm，工作时螺栓工作位置附近温度约50℃，螺栓接触润滑油，不接触能对螺栓造成腐蚀的气体或液体。连杆螺栓的材质为42CrMoE。

1  故障发生及处理过程

1.1  报警情况

（1）2023年2月27日13:37:50，SIS系统内发出报警，内容为：“压缩机轴承温度（氢气压缩机A）仪表故障。

（2）13:38:15--13:38:35（DCS系统记录时间），DCS系统内压缩机瓦温报警，温度显示-18.7℃。压缩机主轴瓦温度突然归零前温度运行平稳，没有变化。

1.2  压缩机相关参数变化情况

（1）工艺参数变化情况。

13:38:10--13:40:00，氢气管网压力由3.48MPa降至3.22MPa。该机组为无级气量系统自动调节控制，当氢气管网压力降低时，C6104C无级气量控制器自动开大，13:38:10--13:41:00，C6104C机组负荷由54%逐步升高至100%，氢气管网压力逐步恢复至正常。

（2）润滑油压力变化情况。

 润滑油总管压力总体运行平稳（压力为0.372MPa），在13:37:49出现润滑油压力短暂下降又上升趋势（最低压力降至0.365MPa，最高压力升高至0.378MPa）。

（3）排气温度变化情况。13:39，机组左一级排气温度由69℃开始下降。

2  2023年机组大修情况

2023年2月1日，氢气压缩机停机备用，距离上次大修后已累计运行16512 h，准备开始大修。2月15日开始计划性大修。2月21日，氢气压缩机检修完毕。2月23日，16:15，机组开机运行，机组运行参数正常，机械运转无异响，机组投入正常运行状态。

2.1  检修配件检查及更换情况

本次压缩机检修根据检修规程及方案，严格按照寿命周期管理要求，对主轴瓦、连杆大小头瓦、连杆小头衬套、连杆螺栓、十字头销、填料等易损部件进行检查、更换，同时对进气阀和排气阀进行了更换。

新主轴瓦、连杆部件、活塞杆、曲轴等配件安装前进行了着色探伤，探伤报告均合格。

2.2  检修过程关键质量点检查记录情况

（1）活塞止点间隙。活塞安装后，检查活塞内外止点间隙，其中内止点间隙为5.3mm，外止点间隙为4.9mm，符合标准5±0.5mm。

（2）活塞杆与十字头液压连接紧固。活塞杆与十字头液压连接采用液压安装，紧固压力按照标准定为150MPa，且按要求紧固3次。

（3）连杆螺栓检查与紧固。连杆螺栓在使用前进行着色无损检测，无裂纹等缺陷。连杆螺栓紧固伸长量0.8mm，标准为0.75+0.05mm，符合标准。

3  故障拆检情况

2月27日，氢气压缩机发生故障后，组织检修单位对机组损坏部位进行解体检查，经拆检后陆续发现：压缩机左一级2根连杆螺栓断裂，曲轴左一级轴颈有损伤，活塞杆与十字头液压连接部位拉长等问题，具体受损情况如下：

3.1  曲轴箱及曲轴

（1）曲轴箱上盖板损坏，曲轴左一级气缸相应部位曲轴颈损伤。

（2）曲轴箱内部下方十字筋处有裂纹，现场表面着色探伤检查裂纹比较明显。

3.2  压缩机左一级连杆组件

（1）压缩机左一级连杆瓦盖损伤。

（2）2根连杆螺栓全部断裂，上侧连杆螺栓断裂成两段：一段在连杆大头螺栓孔内，因弯曲、挤压变形未能取出；另一段由连杆大头压盖螺栓孔内脱落至曲轴箱底部。

3.3  左一级活塞杆

活塞杆与十字头连接部位拆开看窗后发现存在缝隙，没发现锁紧螺帽与十字头结合面缝隙，经过拆卸后复查尺寸，发现活塞杆定位台肩至活塞杆端部长度拉长约18mm，其中现场实际测量尺寸为306mm，相应位置图纸尺寸为288mm。

3.4  压缩机左一级十字头滑道

压缩机左一级十字头滑道存在损伤。

4  故障初步原因分析

根据压缩机部件损坏情况，引起此次压缩机故障的原因为左一级连杆螺栓断裂。左一级2根连杆螺栓均为本次大修新更换配件，至故障发生时运行93小时，故障前机组运行稳定，75%负荷无调整。

连杆螺栓规格型号：M48×3，材质为35CrMoA。现场用光谱仪对断裂螺栓进行检查，主要元素如下表，与图纸材质上35CrMoA基本一致。

表1光谱仪检查主要元素

类别	Cr	Mn	Mo	Ni
螺栓1	1.23	0.80	0.19	0.08
螺栓2	1.30	0.82	0.19	0.08
35CrMo	0.80-1.10	0.40-0.70	0.15-0.25	≤0.30

    左一级两根连杆螺栓断裂部位均在连杆瓦背结合面、连杆螺栓缩径处。

左一级上部连杆螺栓断裂发生在螺栓变径台阶部位，断口（图1）比较平齐，断裂面垂直于螺栓的轴向，断口截面没有肉眼可见的塑性变形，断口表面3个区域界面清晰可见，裂源部位面积较小均在连杆螺栓缩颈处；裂纹扩展区面积较大，可见贝壳状特征，且离裂源区越远，贝壳条纹越疏，条纹的曲率半径越大；裂纹扩展区外缘有明显的浅色带状（疑似杂质），并贯穿整个螺栓端面；瞬断区存在明显撕裂纹。上部连杆螺栓断口具有典型的脆性断裂宏观形貌特征。

图1  上部连杆螺栓断口情况

对螺栓断裂面进行宏观断口分析螺栓断裂面上存在明显疲劳弧线，根据疲劳弧线走向、断裂面平整程度及裂纹扩展方向 ，可以判断出裂纹源位 于螺栓外圆表面 ，有多个裂纹源，见上图 1所示。裂纹扩展初期，断口较为平整 ，随着裂纹的扩展 ，螺栓承载载荷有效面积也逐渐减少 ，所受应力也随之增大，所以断口也变得粗糙：瞬断区位于裂纹源的对面 ，结合螺栓使用情况 ，综合以上分析，初步判断该螺栓断裂形式属于多源低周疲劳断裂。

上部螺栓螺帽与连杆端面结合面没有损伤，上侧连杆螺栓尾部与连杆端面结合面也没有出现冲击磨损，以上现象可以看出连杆螺栓断裂前没有松动。

根据左一级下部连杆螺栓断口特点分析如下：断裂处有明显的颈缩现象，整个断面沿轴向方向，为拉伸过载韧性断裂。表明上部先连杆螺栓断裂后，下部连杆螺栓承受的载荷迅速增加，进而造成下部连杆螺栓的严重过载，发生塑性变形并出现颈缩现象，直至其最后被拉断。下部连杆螺栓的断裂为典型拉伸韧性断裂。      

结合压缩机润滑压变化情况，13:37:49是滑油总管压力会下降，此时上部连杆螺栓发生脆性断裂（由于连杆螺栓断裂时连杆两半结合面间隙增大,大头瓦润滑油泄漏量增大，此时润滑油总管压力第一次下降）。随后在13:37:50--13:37:52期间，润滑油总管压力出现第二次下降，下部连杆螺栓发生韧性断裂。

从第52秒后又开始上升，十字头达到内侧极限位置，十字头润滑油进油孔到达极限位置而被堵住，润滑油因消耗量下降而略有上升，另外由于十字头受曲轴敲击损坏后，十字头变形、滑履间隙减小，十字头供油量进一步减小，引起润滑油总管压力第二次上升。

现场检查连杆螺栓断裂前未发生松动，左一上部连杆螺栓断口处白色贯穿带，疑似有杂质或材质不均匀。连杆螺栓断裂前机组75%负荷，无超载，介质为99.9%氢气，未带液，该机组故障前运行正常，螺栓突发脆性断裂原因经第三方检测机构通过对连杆螺栓的装配与受力分析、载荷工况、材料属性以及强度计算和应力结果等分析，该部位连杆螺栓的断裂失效形式及机理如下文。

5  故障失效形式、机理及建议

5.1  失效形式

连杆螺栓断裂形式为 ：在弯曲应力和轴向拉力共同作用下的低周多源疲劳断裂。

5.2  失效机理

连杆螺栓的作用将连杆和连杆大头盖紧密的压紧，并与轴瓦装配安装至曲轴轴颈上。设备工作时曲轴做往复运动，连杆螺栓受到交变载荷，连杆螺栓每运行一圈有半圈受拉力和曲轴引坦的弯曲力矩，另半圈除预紧力和曲轴引起的弯曲力矩外，还受到一定的工作拉力。

当连杆螺栓只有预紧力和工作载荷作用时最大应力均匀分布在螺栓的各变径过渡圆角圆周上。当承受额外附加弯曲（可能产生弯曲的原因有：

l、大头盖自身刚度 不足时会引起其弹性变形。

2、施加于螺栓上的拉伸力的延长线偏离了螺栓中心线，如螺栓端面垂直度，螺栓孔位置等原因。

3、由于螺栓预紧力不足循环载荷作用下，在紧固接触面发生滑动。

4、螺栓定位环轴颈与孔配合出现较大间隙）时最大应力位置集中在过渡圆角圆周的弯曲受拉表面处，随着弯曲变形量增大弯曲应力也随着增大，在循环载荷下会在表面萌生早期的疲劳源，随着交变载荷的作用裂纹也随之逐渐扩展，当螺栓的有效承载截面过小时，弯曲同力、预紧力和工作载荷共同作用超过材料的屈服强度时，螺栓发生断裂。

5.3  建议

1、严格控制连杆螺栓加工的几何公差，如各轴径面同轴度和圆柱度、支撑环面与连杆安装孔之间的配合间隙量、螺栓安装配合面与螺栓轴心线的垂直度等，以减少因预紧力作用引发的附加弯曲量；

2、严格控制连杆与螺栓安装配合面的平行度、连杆与大头盖螺栓孔同轴度、两螺栓孔的位置度，以减少装配不良而引起附加弯曲量；

3、应保证螺栓具有足够的预紧力，使得连杆大头盖在工作载荷下受力变形量应小于 螺栓预紧力下的连杆预紧压缩量，防止紧固界面分离 ；

4、应保证具有足量的刚度支撑，防止刚度不足且在预紧力和工作载荷下引起大头盖横向附加弯曲；

5、增加机身振动监测，增加机组检测手段，如发生类似现象，在振动监测上是可以提前发现及时处理。                          

参考文献

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