張佐

（中天合創(chuàng)烯烴部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399）

循環(huán)氣壓縮機(jī)PK301 是環(huán)管聚丙烯裝置丙烯回收單元的關(guān)鍵機(jī)組，將環(huán)管反應(yīng)器排出的聚合物漿液分離出丙烯氣壓縮回收后重新參與反應(yīng)。某新建35 萬(wàn)噸/年環(huán)管聚丙烯裝置于2016 年10 月投產(chǎn)，循環(huán)氣壓縮機(jī)組為沈陽(yáng)遠(yuǎn)大4K-250MG-57.5/0.6-19.1 四列二級(jí)立式迷宮壓縮機(jī)組，主要參數(shù)見(jiàn)表1。2018 年2 月3 日21 點(diǎn)30 分壓縮機(jī)一級(jí)入口壓力低聯(lián)鎖停車(chē)，二級(jí)壓縮段有兩個(gè)氣缸，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)PK301A 靠近電機(jī)側(cè)二級(jí)氣缸缸蓋脫離缸體，砸壞二級(jí)氣缸回水管，導(dǎo)致有水落到缸體內(nèi)部，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)有大量丙烯氣彌漫。另外一個(gè)二級(jí)缸蓋未脫離氣缸，但緊固螺栓已經(jīng)斷裂，如圖1。

1 原因分析

（1）氣體力過(guò)大，造成螺栓負(fù)荷超載斷裂，導(dǎo)致缸蓋脫離缸體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，一級(jí)進(jìn)氣壓力0.05MPa，級(jí)

表1 壓縮機(jī)主要參數(shù)

圖1 PK301 二級(jí)壓縮段左邊缸體飛出 右邊缸體螺栓全部斷裂

間氣體壓力0.4 ～0.5MPa，二級(jí)排氣壓力1.8MPa，一級(jí)進(jìn)氣溫度20℃，一級(jí)排氣溫度83℃，二級(jí)進(jìn)氣溫度26℃，二級(jí)排氣溫度106℃，從以上數(shù)據(jù)中可以看出，壓縮機(jī)的工作溫度、壓力均在正常范圍內(nèi)，無(wú)異?，F(xiàn)象，因此可排除此因素。

（2）活塞、十字頭、連桿等傳動(dòng)部件出現(xiàn)連接松動(dòng)，活塞運(yùn)行超出上止點(diǎn)，接觸到缸蓋底部，造成缸蓋受到較大的撞擊力，螺栓斷裂，缸蓋脫離缸體。如因運(yùn)動(dòng)部件松動(dòng)，造成活塞撞擊缸蓋的現(xiàn)象，在缸蓋的底部和活塞表面會(huì)產(chǎn)生撞擊痕跡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的查看，缸蓋底部及活塞表面無(wú)任何撞擊痕跡。對(duì)壓縮機(jī)二段進(jìn)行解體檢查，氣缸、活塞、十字頭體、十字頭銷(xiāo)、連桿、軸瓦、瓦襯等傳動(dòng)部件進(jìn)行了著色探傷，檢測(cè)報(bào)告正常。對(duì)活塞止點(diǎn)間隙測(cè)量：南側(cè)氣缸上側(cè)間隙為2.7mm、下側(cè)間隙為1.6mm 北側(cè)上間隙為2.6mm、下間隙為1.7mm，間隙均是正常范圍，其余各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)后均符合技術(shù)要求，因此可排除此因素。

（3）連接螺栓強(qiáng)度不夠，在氣體力作用下斷裂，導(dǎo)致缸蓋脫離缸蓋。根據(jù)設(shè)計(jì)連接螺栓強(qiáng)度時(shí)，機(jī)組最大氣體力，即安全閥設(shè)定狀態(tài)進(jìn)行螺栓強(qiáng)度計(jì)算，在使用M24 螺紋規(guī)格、性能等級(jí)8.8 級(jí)的螺栓情況下，按照3 倍的最大安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，螺栓的數(shù)量為3.77，本機(jī)組共設(shè)計(jì)了12 根螺栓。取樣14 個(gè)斷裂的螺栓或螺栓螺母副，從宏觀(guān)形貌看，一部分螺栓斷口較為平直，一部分呈現(xiàn)強(qiáng)度破壞的撕裂形貌。此外很多螺栓表面和斷口存在銹蝕。斷口較為平直的螺栓很有可能是受疲勞載荷而擴(kuò)展的疲勞裂紋。一般的平直面積較大的螺栓為較早斷裂。通過(guò)篩選，選取平直面積占比最大的螺栓斷口進(jìn)行分析。同時(shí)切割一根沒(méi)有斷裂的螺栓進(jìn)行截面宏觀(guān)觀(guān)察。

對(duì)圖2 中的疲勞源進(jìn)行SEM 觀(guān)察，尋找疲勞起源的原因，從圖3 照片中，疲勞源整體比較清潔，未見(jiàn)腐蝕、磨損等異常形貌。

圖2 較早疲勞起裂的斷裂螺栓

圖3 疲勞源SEM 觀(guān)察

按照?qǐng)D2 中虛線(xiàn)所示切割樣品，對(duì)裂紋源的截面進(jìn)行金相制樣并觀(guān)察，如圖4 和圖5。從圖4 截面看，疲勞起裂位置位于螺栓螺紋根部的拐角處，該處未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕等異常現(xiàn)象。圖5 為靠近瞬斷區(qū)的一處微裂紋，裂紋平直且尖端未見(jiàn)明顯的組織變形特征，初步判斷該處也為疲勞開(kāi)裂，起裂位置與圖4 相同，同時(shí)也未見(jiàn)明顯的腐蝕特征。

圖4 疲勞源截面金相

圖5 接近瞬斷區(qū)未完全斷裂的裂紋

采用直讀光譜儀對(duì)缸蓋螺栓、螺母、新螺栓和聯(lián)軸器螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果顯示：缸蓋螺栓成分基本符合35CrMo。從以上分析結(jié)果來(lái)看，缸蓋螺栓斷裂過(guò)程屬于螺栓的疲勞破壞。起裂位置位于螺紋根部拐角的應(yīng)力集中處。未發(fā)現(xiàn)腐蝕特征，送樣螺栓的疲勞起裂為過(guò)載。

（4）有異物進(jìn)入活塞與氣缸之間，造成活塞間接撞擊缸蓋，螺栓斷裂，缸蓋脫離。結(jié)合以上分析，有異物進(jìn)入活塞與氣缸之間可能性最大，進(jìn)入的異物應(yīng)該為液體介質(zhì)，也就是二級(jí)壓縮段發(fā)生了液擊現(xiàn)象。液體不存在壓縮形變，當(dāng)進(jìn)入液體體積大于氣缸與活塞之間的止點(diǎn)間隙，活塞通過(guò)液體撞擊缸蓋，較大的沖擊力迫使缸蓋螺栓發(fā)生斷裂，缸蓋脫離缸體掉落。液擊發(fā)生時(shí)，受擠壓的液體沖向氣閥，由于氣閥為單向流動(dòng)閥體，吸氣閥將受到較大的沖擊，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)照片，吸氣閥閥片斷裂、變形與液擊現(xiàn)象吻合（如圖6）。

事故發(fā)生后對(duì)該股循環(huán)氣進(jìn)行成分分析，該股循環(huán)氣為91%的丙烯、8%的丙烷和極微量的C4，從壓縮機(jī)入口錐形過(guò)濾器可見(jiàn)循環(huán)氣中夾帶少量微量白油和三乙基鋁；可判斷氣缸內(nèi)進(jìn)入的液體為工藝介質(zhì)中的白油與三乙基鋁、烴類(lèi)在低溫與高壓下的產(chǎn)物。

2 改進(jìn)措施

（1）設(shè)備上采取增加活塞止點(diǎn)間隙的方法，將總止點(diǎn)間隙由4mm 增加到8mm，確保循環(huán)氣中如帶微量液相，仍能保證安全。

（2）工藝上提升丙烯氣分離洗滌純度同時(shí)加大排液頻率確保緩沖罐液位處于低位。

（3）二級(jí)入口隔離罐增加保溫，減少增加液相組分的可能性。

（4）螺栓安裝預(yù)緊使用扭矩扳手按照對(duì)稱(chēng)順序緊固，保證螺栓的均勻緊固。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾項(xiàng)預(yù)防措施實(shí)施后，目前壓縮機(jī)已正常運(yùn)行22 個(gè)月，解決了二級(jí)缸蓋螺栓斷裂的隱患，保障了該機(jī)組的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也為同類(lèi)型設(shè)備故障提供了很好的參考。

圖6 二級(jí)壓縮段吸氣閥閥片斷裂擠壓變形