化工用往復式壓縮機的失效分析與預防

1、化工用往復式壓縮機的失效分析與預防往復式壓縮機由于其易損零件多、結構復雜，而被業(yè)內公認為可靠性較差的 機型。盡管國際上往復式壓縮機的設計制造水平已經日臻完善、發(fā)展趨于停滯， 且維修周期已經由一年一次提高到三年兩次或兩年一次，但仍然沒有任何連續(xù)的 化工流程能夠放棄使用往復式壓縮機的備機。在國內，往復式壓縮機的可靠性狀 況更不容樂觀。中國的現代壓縮機行業(yè)起步較晚，長期的計劃經濟體制沒有為壓 縮機行業(yè)的技術發(fā)展奠定較好的基礎，不規(guī)范的市場經濟又使壓縮機行業(yè)陷入了 低水平的惡性競爭循環(huán)當中。企業(yè)效益的低下導致技術投入不足，加之國家基礎 工業(yè)平臺的落后，更給國內往復式壓縮機產品的可靠性帶來很多不確定的因

2、素。 隨著世界經濟的一體化，制造業(yè)的成本在與世界接軌，用戶也開始用國際產品的 指標來要求國產的往復式壓縮機，而市場的價格卻仍然不到國際水平的50%,在 如此的環(huán)境下，國內往復式壓縮機產品可靠性提升的任務必然面臨嚴峻挑戰(zhàn)。 壓縮機可靠性的不足主要體現為零部件的非預期失效，可以預見的、容易修復的 或對壓縮機性能影響不大的零部件失效一般只會給壓縮機帶來輕微的故障，而非 預期的零部件失效往往會釀成嚴重的事故，在此我們只對可以導致壓縮機事故的 零部件失效進行討論分析。1. 統計數據根據化工、石油行業(yè)統計數據推算，目前在國內化工流程中運行的100kw 以上的往復式壓縮機已經超過兩萬臺套，1000kw以上的

3、大型往復式壓縮機估計 在6000臺左右。據不完全統計，近二十年來，化工流程中平均每年發(fā)生重大往 復式壓縮機事故23起，約占行業(yè)內重大事故總量的21%,其中70%發(fā)生在化肥行 業(yè)，10%發(fā)生在石油化工行業(yè)，20%發(fā)生在其他化工行業(yè)和冶金等行業(yè)。事故原因 與產品設計相關的約占20%,與制造相關的約占60%,與安裝相關的約占10%, 與使用相關的約占40%。事故發(fā)生在主機部分的約占80%,發(fā)生在輔機部分的約 占15%,其余5%發(fā)生在管路、閥門及電氣配套等其他部分。事故中約有8%導致 了起火、爆炸或人身傷亡。2. 事故的部位與表象2.1壓縮機主機是完成設備功能的主要部分，動態(tài)載荷決定了這里是事故的主發(fā)

4、 區(qū)域，接下來按照事故發(fā)生的頻次逐個部位進行介紹：活塞桿與活塞：活塞桿斷裂是往復式壓縮機發(fā)生頻次最高的事故，斷裂部位可以 在活塞桿的尾部（與十字頭連接處）、中部（摩擦部位）和頭部（與活塞連接處）, 其中尾部的連接結構較為復雜，承受的載荷最為惡劣，產生失效的原因往往有多 重性和偶然性，可能與結構設計、材料選擇、材料缺陷、冷熱加工控制、安裝、 操作與維護等過程都有關聯?；钊麠U中部的斷裂也較為常見，按常理講，此處是 活塞桿最強壯的部位，承受的平均應力值很低，在此處斷裂有點不合常理。由于 此處是密封摩擦表面，磨損失效通常是我們的關注焦點，我們會把注意力集中到 提高表面耐磨性上。提高表面硬度是普遍采用的

5、方法，隨著硬度的提高活塞桿表 面的內應力值也在加大，脆性增加，韌性下降。內應力值的大小和分布的不均勻 性與裂紋發(fā)生的機率呈正比。裂紋是應力釋放的結果，也是疲勞失效的起因。裂 紋產生過程有很多不確定的因素，且發(fā)生機率較低，往往被人忽視，只采用常規(guī) 的控制方法很容易使危機潛伏下來。我認為，活塞桿中部的原發(fā)性斷裂事故應該 由壓縮機制造方承擔全部責任。活塞桿頭部的失效一般發(fā)生在連接活塞的螺紋 處，如果安裝預緊符合設計要求，問題就應該在結構設計和材料質量上了?；钊?桿斷裂很難事先預測，事故會導致嚴重的后果，輕則撞壞氣缸、十字頭、連桿等 重要零件，重則使介質外泄，引發(fā)起火、爆炸等災難性后果?；钊氖?/p>

6、與制造不良聯系在一起，大直徑活塞由于受壓縮機可以承擔的慣 性力限制，重量要求嚴格，設計和制造難度加大，活塞裂紋、破碎等事故時有發(fā) 生；鑄鐵活塞由于鑄造的工藝特性，中心部位可能出現缺陷，造成活塞“脫褲子”, 也有可能除砂螺堵脫落，掉入氣缸中。外界的干涉性沖擊也是活塞失效的常見原 因。曲軸：曲軸是壓縮機中設計壽命最長的零件之一，但在我國化肥企業(yè)運行的大型壓縮機 中，曲軸的損壞已經不是什么稀罕事，甚至有些用戶將曲軸作為易損件來儲備, 這樣做也符合中國國情。曲軸一般會發(fā)生三類事故一一燒瓦、裂紋和斷裂，燒瓦 的原因很多，潤滑不良、曲軸或曲軸箱加工精度不好、機組振動、超載等原因均 可導致燒瓦，燒瓦和曲軸表

7、面裂紋可以互成因果關系，裂紋一般出現在軸承的表 面上或根角r處，裂紋的形成除了燒瓦的原因外，更有可能是疲勞超載造成的。 但需要提示的是，不同的原因會形成不同的裂紋表現形態(tài)，燒瓦裂紋通常是細碎 分散、深淺不一而呈現軸向分布，疲勞超載裂紋通常集中在個別區(qū)域、裂紋較深 而呈“x”型。裂紋擴展是曲軸斷裂的直接原因。曲軸斷裂一般發(fā)生在曲柄處， 由于曲軸主要承受交變的扭轉載荷，所以斷口大多呈45。角，以疲勞斷裂的斷 口形式居多。曲軸斷裂屬于重大機械事故，斷裂的曲軸會撞碎曲軸箱、拉壞連桿 和十字頭，甚至會掀翻主機，損壞驅動設備，但一般不會涉及到介質壓縮區(qū)域， 引起爆炸起火的可能性很小。連桿：從設計角度看，雖

8、然連桿的運動特性比較特殊，但主要載荷方向變化不大，只要 校核幾個危險截面的安全裕度，連桿體就不會出現太大的問題。實踐中連桿常見 的事故是連桿螺栓斷裂，斷裂部位在螺紋交界處或連桿對開面的螺栓位置，其他 位置極為少見。連桿螺栓的載荷情況非常簡單，制造的工藝過程也很容易控制， 正因如此，我們認為沒有必要保留很高的安全系數，不然的話整個運動系統就會 顯得過于笨重。連桿螺栓的失效是源于在制造、安裝或使用過程中破壞了設計給 定的條件，可能是制造過程使螺栓的屈服強度過低、安裝時沒有實施足夠預緊力 或壓縮機過載操作破壞了預緊載荷。連桿螺栓斷裂會導致曲軸箱、曲軸、連桿和 十字頭等重要零件的嚴重損壞，壓縮機的運動

9、機構可能完全報廢，修復的難度很 大。十字頭：十字頭常見的事故是十字頭銷脫出銷孔和十字頭銷斷裂。斷裂多發(fā)生在銷子中心的油孔處。從制造方面來看，由于十字頭銷柱面是軸承摩 擦表面，要求很高的硬度，而芯部要承受疲勞載荷，要有很好的韌性，油孔貫穿 了銷體，孔口處很容易形成應力集中或應力不均勻，以至產生裂紋，若不嚴格防 范，就會導致事故。多數的斷銷事故與制造有關，但也有壓縮機超載運行撞壞十 字頭銷的案例，只有通過現場證據才能確定初始原因。十字頭銷子脫出的事故比斷裂要高，圓錐銷子的脫出似乎容易讓人理解，錐面結 構配合得不好就不能形成自鎖，錐面承受的軸向載荷會將十字頭銷推出。理論上 講，圓柱銷子沒有軸向載荷，

10、但也會發(fā)生脫出事故，這與結構設計有很大關系。 十字頭剛性不好，柱銷就會發(fā)生軸向蠕動，仔細分析一下載荷傳導過程，就會知 曉其中的道理。氣缸氣缸體的薄弱環(huán)節(jié)在氣閥安裝口處，為了降低余隙容積，提高氣缸的容積效率， 設計者常將氣閥的安裝位置盡可能地靠近氣缸鏡面，就會使這里的氣缸壁不能很 厚，另外，這里的機械加工工藝性不好，也不易檢測，尺寸精度和表面的粗糙度 很難滿足設計要求，很容易產生應力集中，形成初始裂紋源。隨著機器的振動， 裂紋會不停地擴展，直至介質泄漏，釀成事故。閥孔開裂的事故多發(fā)生在中、高 壓級氣缸，鑄造氣缸、鍛造氣缸都有發(fā)生此類事故的案例，常導致起火、傷人的 后果。氣缸是壓縮機中帶有連接螺栓

11、品種最多、數量最大的部件之一，螺栓連接的可靠 性直接影響著壓縮機的工作質量?，F實中，氣缸螺栓失效的事故屢見不鮮。失效 部位：有的是填料緊固螺栓、有的是連接中體（接筒）的螺栓，也有的是緊固缸 蓋、缸座的螺栓，失效原因多與安裝不當有關，個別的也有設計結構和材料問題。 驅動部分包括原動機和聯軸器。在中國，壓縮機廠和原動機廠商的技術交流層次較淺，往 往只停留在轉速、功率、啟動特性和電氣控制等宏觀指標控制上，原動機廠對壓 縮機在正常工作時的波動扭矩漠不關心。這樣就會發(fā)生兩類問題，一是原動機的 主軸因為扭轉疲勞提前失效，二是在使用異步電動機時產生功率不足。問題一旦 發(fā)生，壓縮機廠與原動機廠就會為此爭論不休

12、，相互推諉，互不相讓，在用戶現 場形成尷尬的局面。排除問題需要很大的代價。聯軸器因結構形式的不同失效方式也不同，這里不存在技術水平的問題，只要加 強各過程的質量控制，可以杜絕事故的發(fā)生。2.2壓縮機輔機、管路與閥門輔機包括換熱器、緩沖器和分離器。換熱器常見的失效是換熱管泄漏，導致高壓 氣體進入冷卻水系統中，嚴重時可使水系統爆裂。緩沖器和分離器常出現事故是 開裂，如果沒有明顯的制造質量問題，那么主要是與氣流脈動和接管振動有關。 由于往復式壓縮機進排氣是間歇性的，形成的脈動氣流很難準確地預測，很容易 引起管路振動，振動結果也很難分析。設計容器時，通常不考慮這些附加的擾力 載荷，當這些附加載荷突破一

13、定限度時，就會引起容器的疲勞損壞，因此，容器 失效的隨機性很強。氣體管路的問題多是由振動引起的。由于振動分析的復雜性和使用現場的多樣 性，壓縮機廠不可能對所有的壓縮機產品管線進行脈動分析和應力分析（從時間 上和經濟上都無法實現，實際也沒有必要），但有經驗的設計師即使不通過計算, 也能夠采用有效的措施，避免問題的發(fā)生。閥門的問題似乎很平常，所形成事故的危害卻是非?？膳碌?。防范閥門的制造質 量問題固然重要，但閥門的安裝和使用不當同樣會造成危險的事故，這樣的案例 也屢見不鮮。3. 事故原因分析方法3.1現場：對事故現場的保護和記錄是分析工作的第一步。對于復雜的事故，要 制定事故的勘驗程序，記錄的內容

14、應包括壓縮機近期的運行與維護記錄，事故前 的流程參數與征兆，損壞的零部件部位、數量及事故后所在位置，當班操作人員 狀況等等，一般要用現場照片和書面紀錄并簽字的方式存檔。記錄人員須排除周 邊輿論的影響，也要克服自己的主觀臆斷，確?，F場記錄的完整和真實。3.2斷口：在沒有確定檢測和分析程序之前，應盡可能地保護破斷表面的原始狀 態(tài)，不得碰撞、摩擦或撫摸，也不能急于除去表面氧化物或污染物。斷口可以告 訴我們斷裂過程的重要信息，包括斷裂源的位置、斷裂的成因、斷裂的發(fā)展過程。 我們可以通過這些信息知道零件是否有應力集中或是材料缺陷，缺陷的類型屬于 冶金缺陷、熱處理缺陷或是機械加工缺陷，零件失效過程中承受的

15、是正常的載荷 還是有附加的載荷，失效的經歷時間，裂斷的性質等等。3. 3實驗：實驗工作應包括斷口和其附近材料的金相的高、低倍顯微鏡分析，材 料的化學成分和機械性能試驗，模擬故障再現等內容。實驗的目的不僅要驗證零 件制造工藝的確定性，也驗證了斷口分析所獲得的結論。3.4理論：僅僅通過以上的結果就妄下結論是非常錯誤的，因為世界上不存在沒 有缺陷的材料和絕對完美的工藝過程，只要工藝過程缺陷在合理的范圍內，制造 的疑慮就可以排除。為此，我們應該把實驗中發(fā)現的問題迭代回設計，看看能否 得出理論上的必然。如果答案為是，工藝過程亦無過錯，那就是設計問題；如果 答案為否，那就需要查找安裝和運行方面的問題。無論

16、如何，沒有理論依托的結 論是靠不住的，它會使人重蹈覆轍，貽害無窮。4. 事故的原因分析與預防技術墨菲原理告訴我們，對于糟糕的事，只要有可能，它就會發(fā)生。反過來的 就是說，事情發(fā)生前，其發(fā)生的可能性早就存在了。對于壓縮機事故，籠統地講，原因可以歸結于我們事先對信息掌握得不夠充分或 者處理的不夠得當，在工程上可稱作技術不到位，技術缺位可以表現在幾個方面: 4. 1設計的因素 總體方案與結構設計壓縮機的總體方案通常是在銷售合同簽訂前完成的，由于沒有商務合同，此階段 的技術工作往往不被納入企業(yè)受控的技術流程，相應的技術評審不夠嚴格，產品 方案的技術水平基本取決于銷售工程師的個人智慧。合同一旦簽署，設計

17、工作就 必須遵從總體方案進行下去，即便發(fā)現方案纟比漏也很難更改，而這些纟比漏往往是 影響產品可靠性和經濟性的決定性因素。在同樣的參數要求下，好的設計方案不 僅可以優(yōu)化零件的載荷分布，均衡受力或減小受力，提高整機的安全裕度，也有 可能降低載荷機架的等級和功率消耗，減少制造成本和運行成本。不好的設計就 會帶來相反的結果。例1漢諾華，例6m50, 3d100。結構設計是為完成壓縮機各個專項功能而進行的零部件設計，是整體方案的具體 落實實施。結構設計由結構工程師來完成。一個合格的結構工程師不僅需要扎實 的理論力學、材料力學等學科的理論基礎，還需要豐富的實踐經驗（工藝過程和 技術可達性）。這樣的要求對于

18、現實中的行業(yè)技術隊伍似乎有些苛刻，絕大多數 行業(yè)企業(yè)對結構工程師的崗位不夠重視，剛剛走出校門就委以此任，到頭來是照 貓畫虎、照葫蘆畫瓢，只知其然而不知其所以然，好壞全憑運氣，一旦外界條件 發(fā)生變化，就可能鑄成大錯。好的結構設計表現形式會有所不同，但遵循技術哲 理基本相同；不好的結構則五花八門，不勝枚舉。材料選擇人們通常以設計手冊標注的機械性能來評價材料的好壞，這只有在理想的條件下 才是正確的。事實上，材料的性能好壞不完全取決于它的化學成分（材料代號）, 很大程度上取決于它的工藝過程。有些設計者缺少材料工藝過程的實踐經驗，盲 目抄襲手冊數據作為設計依據，結果制造過程根本無法滿足設計的理想要求，使

19、 零件過早失效。（例大截面、鑄鋼、合金鋼） 我以為，材料無所謂好壞之分, 最熟悉的才是最安全的，最適合的才是最好的。材料性能的不足可以通過結構改 進加以彌補，通過工藝手段加以完善。新材料必須通過工藝性試驗驗證后方可使 用。零件制造的技術要求零件設計圖上必須標有完整準確的技術要求，用來指導零件制造。但如果不熟悉 制造過程，相關的要求就不可能完善，出現的纟比漏就只能依賴工藝文件來彌補， 而工藝人員對設計的理解畢竟有限，其彌補的結果也不可能十分理想，這就會給 零件制造質量增加了不確定性。當工藝過程發(fā)生在外部企業(yè)時，情況會更糟。（例 連桿孔加工）作業(yè)指導書作業(yè)指導書（使用說明書）是安裝、使用過程中十分

20、重要的技術文件，是傳 遞和實現設計思想的主要依托。但有的設計者由于缺乏現場經驗，經常出現指導 不到位、方法不能用、數據不準確等低級失誤，造成一些關鍵技術得不到有效實 施，甚至出現事故。（例機身水平、蓋板、活塞桿跳動）因此，提高作業(yè)指導文 件質量是防范安裝運行事故的首要任務。4.2制造的因素零件毛坯的質量控制隨著國家對環(huán)保要求的加強和企業(yè)的分化組合,壓縮機廠大多放棄了鑄造和 鍛造的工藝流程，零部件毛坯大都由外部企業(yè)供給，由于國內基礎工業(yè)水平的落 后和壓縮機零件的復雜性，毛坯質量一直是困擾壓縮機廠的頭痛問題。鑄件會常 見疏松、砂眼等缺陷，鍛件會發(fā)生晶粒粗大、魏氏組織、氣泡、夾渣、白點等問 題。工件

21、越大，表現越突出。這些缺陷有些容易被發(fā)現，在制造過程就可以排除, 而有些則不易被發(fā)現，稍有不慎就會潛伏下來，給壓縮機運行帶來隱患，直至發(fā) 生事故才發(fā)現缺陷，這是非常危險的。避免此類危險不能依賴事后的檢驗，必須從源頭開始整治。選擇的供應商不僅要 求信譽良好，而且要具備工藝過程質量穩(wěn)定的生產線。對于鑄件，宜采用樹脂砂 成型、電爐熔煉的工藝手段，并可實施可靠的時效處理；對于鍛件，宜采用真空 冶煉鋼錠，重要的大型零件，例如曲軸、活塞桿，鍛料必須采用電渣重熔工藝， 才有可能保證不出問題。對于易出現裂紋的合金鋼材料，鍛造前必須增加精整和 探傷工序。工藝方法和過程控制在零件加工的過程中，最容易忽視的問題是零

22、件表面的粗糙度，最不易察覺的問 題是零件的熱處理，而這兩者恰恰是導致零件失效的常見原因。粗糙度會直接影 響材料的疲勞壽命，這是工程常識，所以，大家都很關心零件完工后的粗糙度， 而對過程中的粗糙度往往認識不足。對于合金鋼零件，調質處理前的表面粗糙度 可以影響調質質量，會使零件表面的組織和應力水平隨著凸凹狀況而發(fā)生變化， 嚴重時可以導致零件開裂。例如十字頭銷孔檢驗方法的有效控制檢驗是控制質量問題發(fā)生的重要手段，零件的外部形狀、尺寸、表面狀態(tài)都 可以通過檢驗加以確認，但零件的內部質量，材料內部的機械性能卻很難通過直 接的方法獲得準確的數據，我們只能通過替代的試件進行驗證。但試件能否完全 代表零件的質量狀況呢？如果試件和零件的質量不同會導致什么結果呢？其實，這里隱含著很多技術問題?，F場事故中失效的零件往往沒有檢驗不 合格的紀錄，它反映出我們檢驗技術存在較大的問題，可能是試料的取樣部位不 對、工藝狀態(tài)錯誤或是忽略了環(huán)境的影響因素。我們只有仔細分析零件和試件所 經歷的全部工藝過程，才會發(fā)現癥結的所在。為了保險起見，我們一定要把最危 險的部位、最惡劣的工藝條件作為檢驗試料的選擇條件。（例如曲軸、連桿螺栓） 非技術性因素制造過程的質量管理失控是導致事故的常見原因。例如混料、機床精度等。4.3安裝過程的因素壓縮機的現場安裝大多由