往复式压缩机活塞杆断裂处理

艾洪达

摘 要：通过分析往复式压缩机活塞杆断裂原因，提出防止活塞杆断裂的措施。

关键词：压缩机；活塞杆；活塞；故障分析；处理措施

1、前言

往复式压缩机通过驱动电机将曲轴、连杆的旋转运动转化为十字头、活塞往复直线运动，通过活塞在气缸行程容积内吸气、压缩、排气，达到提高气体压力。氢压机是离子膜装置氢处理的关键设备。该机型号为2D10-77.3/3-BX型氢气压缩机，利用压缩机提高氢气的压力，以使氢气加压输送。本机结构为对称平衡型、两列气缸水平分布在曲轴两侧，其特点是往复惯性力与惯性力矩平衡好。

2、活塞杆断裂产生的现象

自2007年装置開车以来该机运行平稳，但从2014年以后，连续三次发生一二级件活塞杆与十字头连接的弹性段部分断裂，活塞杆弹性段被拉长。2017年因二级活塞杆发生断裂，活塞撞缸盖，导致二段缸盖破碎、曲轴磨损、缸体部分螺栓断裂严重设备事故。

3、活塞杆断裂产生原因分析

3.1十字头安装不正确

在设备安装中如十字头端面与十字头下滑道不垂直，活塞杆与十字头紧固后十字头下滑板只有前端与滑道接触，后端悬空。当压缩机运转后连杆作用力的分力使下滑板与滑道完全贴合，使活塞上翘。而活塞在本身重力作用下与气缸表面接触，造成活塞杆弯曲，产生弯曲外力与十字头联接的螺纹部位受力最大。其应力值与活塞杆所受循环应力最大值叠加，如超过许用应力值，则活塞杆将发生断裂。

另连杆瓦、十字头、气缸、活塞等部件安装数据未达到检修规程要求，或长期使用磨损使各部间隙过大及联接螺栓松动，都会造成十字头等部位振动过大，使活塞杆承受附加外力作用，也可导致活塞杆产生裂纹断裂。

3.3活塞支撑环磨损

活塞在气缸中经过长期使用，活塞支撑环发生磨损，使活塞中心逐渐低于十字头中心。使活塞杆弯曲，活塞杆受弯曲外力作用，与十字头联接部位受力最大。而且磨损越大应力越大，其与循环应力综合作用使活塞杆断裂。

3.4气缸进入异物或水击

压缩机的气缸余隙均在几毫米，而气阀螺栓等气阀组件尺寸远远大于余隙尺寸。压缩机在运行中由于吸气阀螺栓松动后与阀组脱离，气阀组件吸入气缸或气阀因制造质量或材料疲劳破坏吸入气缸，造成活塞运动受阻，活塞杆所受拉力无限大，拉断活塞杆。

压缩机在开机过程中入口气体中大量带液，或多级压缩机级间冷却分离器长时间未排油水，导致压缩机吸入大量液体，因液体不可压缩，且不能及时排出，导致活塞运动受阻而拉断活塞杆。

3.5受力分析

活塞杆在往复运动中受气体力、往复惯性力及往复运动的磨擦力作用。因该机的铸铝活塞在改造前，一级进口未设有气液分离器，导致压缩机在积液的状态下，活塞受电解液腐蚀，将铸铝活塞改为不锈钢活塞，压缩机工艺参数在活塞改进前后未发生变化，但往复惯性质量发生变化，较原来增加，活塞杆的直径未改变，经制造厂家对强度进行核算，活塞杆承受抗拉、抗压应力变大，在规定的应力上限范围，导致活塞杆疲劳强度循环次数下降，活塞杆弹性段在运行一段时间后变形被拉长，最后拉断。制造厂家在活塞材质改变后，设计没有充分考虑运行过程疲劳强度会降低所致。

4、活塞杆断裂采取的处理方法

4.1活塞的安装

活塞在推入气缸前，应在活塞杆尾部套入保护套，以避免安装时刮伤填料密封。活塞安装时，应保证活塞环在环槽能自由转动，压紧活塞时，环应能全部沉入槽内，相邻活塞环的开口位置应互相错开。活塞环轴向间隙应符合标准。

4.2活塞杆与活塞的连接

活塞杆与活塞的连接一定要牢固准确，活塞杆的定位台肩与活塞的中心线垂直度符合要求，活塞的两端轴肩与活塞杆支撑面要配研，并按规定的紧固力矩紧固，两半活塞的结合面应贴合紧密不得出现内外圈的结合面的间隙，此点应十分注意，因为内圈结合面的间隙会产生交变应力，缩短活塞的寿命，而外圈的间隙造成活塞内部腔内进入压缩气体，使内部容积在一定程度上成为气缸的余隙容积，对压缩机的效率及活塞的寿命均有不良影响，因而组装活塞各部应仔细检查研合。此面的光洁度及硬度值要求较严，使用前应仔细检查，光洁度一般要求Ra0.8以上，否则易造成受力面拉毛，严重影响活塞杆的使用。

4.3压力体液压紧固

将手动油泵软管与压力体上接口相连。掀动油泵手柄，使油泵压力升至150MPa，在油压作用下环性活塞和压力体分别压向定位螺圈和活塞杆肩部，迫使活塞杆尾部发生弹性伸长变形，此时锁紧螺母与十字头颈部分开，再次用棒扳手旋紧锁紧螺母，紧固时可用小锤轻轻敲击棒扳手，以保证锁紧螺母与十字头颈部端面接触贴实，然后卸压，既完成第一次液压紧固。第一次液压紧固完成后，活塞杆尾部应在初始伸长状态下保持1小时，再进行第二次液压紧固。仍以150MPa压力与第一次相同方向进行。第二次液压紧固完成后，活塞杆尾部继续伸长状态下保持1小时，再进行第三次液压紧固。仍以150MPa压力与第一次相同方向进行。卸压后即完成液压紧固工作，全部完毕可投入使用。

4.4测量十字头滑履与滑道间隙

用外径千分尺测量十字头滑履的尺寸，用内径千分尺测量滑道的尺寸，并多点测量；两者差值即为滑履与滑道的间隙；十字头安装在滑道内后，用塞尺复测滑履与滑道的间隙（顶部间隙），该间隙应在范围内。

4.5测量活塞前后止点间隙

将缸体排气阀打开（前后各一个），盘动曲轴，用直径至少2mm以上的铅丝，在前后缸盖处压铅丝，铅丝变形后的厚度即为间隙值；在打压体打压三次后，复测前后止点间隙。

4.6对受力的处理

以上检查修理，没有发现该机组在安装过程中的问题，活塞杆断裂是活塞材质改变后，设计没有充分考虑运行过程疲劳强度循环次数降低所致。对此缺陷进行处理，对该机组一级进口增设气液分离器，防止气缸带液现象，一二级活塞由原来的不锈钢活塞改为铸铝活塞，降低压缩机的往复惯性质量，从而降低活塞杆与十字头连接的弹性段所承受的抗拉与抗压应力。

综上所述只要严格执行检修规程，在安装前认真核对活塞杆各部尺寸，对螺纹、台阶等应力集中部位重点检查。在检修过程中活塞杆断裂是可以消除的，并定期用着色法进行表面探伤检查，来发现微小裂纹。设备出现振动异常时应立即停机检查，避免发生事故；设备开机前认真检查入口情况，避免带液，定时排放级间冷却分离器油水，防止水击；按规程要求定期更换活塞杆，避免其疲劳破坏等。

参考文献

[1]《SHS 01020-2004 活塞式压缩机维护检修规程》中国石化出版社，2004版

[2]2D10-77.3/3-BX型氢气压缩机使用说明书

（作者单位：南京化学工业有限公司检维修部）