4M50型往复式压缩机曲柄销裂纹故障的分析及改进

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某炼油厂重整加氢装置4M50--186/2.4-8.2-82/7.2-20-Bx型压缩机是双列双作用卧式活塞压缩机。该机自1999年安装投运以来，状况-直良好。但在2005年年底，机组因振动超标而报警，停车检修时发现曲轴-段北缸的曲柄销磨损严重，连杆大头瓦与曲柄销之间的配合间隙严重超标。对曲轴曲柄销处采用激光熔覆技术修复后，回装开机，运转状况良好。直至2007年3月，机组再次因振动超标报警，拆检发现所修复的曲柄销出现裂纹，进行同样修复处理后，机组于2010年5月发生类似故障，严重影响装置平稳生产；因此需对曲柄销裂纹产生的原因进行深入剖析，并提出改进措施。

-、 故障情况故障发生前机组机体振动剧烈，原因可能有：(1)地脚螺栓松动，机组对中偏差过大；(2)主轴轴瓦烧瓦、磨损严重、脱壳；(3)连杆小头轴瓦烧瓦、脱壳；(4)十字头配合间隙过小，滑道巴氏合金烧损；(5)十字头配合间隙过大，连杆瓦大头瓦间隙过大等。

对以上振动的因素进行排查，均未发现问题。据此，判断曲柄销裂纹和大头瓦损坏是造成机组振动的根本原因，应对曲柄销裂纹故障进行分析。

二、故障分析曲柄销裂纹故障频发，需对曲柄销运行过程中的受力情况进行核算，判断其有无应力集中区。此外，对磨损后的曲柄销表面进行过修复处理，修复后的曲柄销表面有无缺陷是裂纹产生与否的直接原因。

1.曲柄销受力分析曲柄销连杆机构的受力分析如图l所示。往复式压缩机(a)图1 曲柄连杆机构的受力分析工作时，活塞组件在汽缸内作往复运动压缩气体，活塞组件受气体力、摩擦力和往复惯性力作用。十字头上作用着综合活塞力 ，尽也为连杆力尸在活塞运动方向上的-个分力 (PsPL·CO8 ，连杆力蹦区过连杆作用在曲柄销上。在曲柄销上连杆力R又分解为曲柄销垂直的切向力 和沿曲柄半径方向的径向力R。连杆大头瓦和曲柄销相互作用力的径向分力产生的旋转摩擦力 ，视为作用在曲柄销处的切向力，即曲柄销上还作用着 成的切向力 。曲柄销处的总切向力为两切向力的总和。

随着曲柄和连杆之间夹角的变化，曲柄销受力大型方向在不断变化，为交变载荷。此外，压缩机频繁启、停机，曲柄销也受到启动冲击。

在压缩机运行工况下进行复合性热力计算和动力计算得知，压缩机的两级压力比匹配合理，活塞力相差不大，未发现-级活塞力超常，动力平衡性能良好。

2013年6月 I中国设备工程 53 2.曲柄销在修复过程中产生的缺陷曲柄销于2005年年底因磨损严重，利用激光熔覆技术对其进行过修复。经表面着色探伤，没有问题，但熔覆层深处可能存在质量问题。原因在于：(1)K202/AII轴所用的材料是35CrMo，而目前激光熔覆所用的合金粉末多采用镍基、铁基及钴基自熔合金粉末。

热膨胀系数的差异及各方面性能不匹配都能导致修复缺陷。

(2)激光熔覆时能量参数设定有偏差，能量密度不足以熔透预涂层，熔化部分与未熔化部分产生开裂，修复层可能存在细小的裂纹。

(3)熔覆时能量密度敲可把预涂层熔化，由于基层界面未熔化，得不到冶金结合，并且涂层界面附近的气孔等缺陷没有得到充分熔合，导致熔覆层强度降低。

基于此，2010年5月故障再次发生后，对曲柄销继续进行修复，将修复后的熔覆层先后进行磁粉探伤和x射线无损探伤，发现少量微裂纹存在。对熔覆层进行硬度检测时，也出现硬度不均匀现象。

3.故障分析微裂纹的产生与激光熔覆处理后材料内部存在较大的残余应力有关。如果基材与熔覆材料二者的膨胀系数、热导率等差别较大，在高能激光束的作用下，很容易导致热应力产生。此外，熔覆层的熔化和凝固过程，交界面处基材的固态相变等发生体积变化后均会产生组织应力。这两部分综合应力结果表现为拉应力状态时，容易在气孔、夹杂物尖端形成应力集中，导致微裂纹的产生。

由于修复层的厚度有限，当曲柄销熔覆层的强度降低时，导致熔覆层的承载能力受到严重削弱，曲柄销在修复时产生的内部缺陷使其局部应力过高，在交变载荷和冲击载荷的共同作用下，这些应力高的部位就会出现细小裂纹。

伴随裂纹的产生，会引起更高的应力集中。随着载荷的波动，这些裂纹在微观上-开-合，沿-定截面扩展，产生疲劳破坏。裂纹扩展到曲柄销表面中间位置时，使曲柄销和连杆大头瓦间不能形成连续的油膜；从而失去了油膜的减振和润滑降温效果，产生巨大的冲击载荷。同时，曲柄销和连杆大头瓦之间的干摩擦产生大量的热量 ，引起大头瓦表面温度过高，使连杆大头瓦表面的巴氏合金烧损，导致振动值升高至报警值。

曲柄销裂纹-旦产生，较强烈的轴系扭振将使连杆大头瓦绕曲柄销产生较大幅度的振动。-方面，导致连杆大头瓦与曲柄销之间油膜压力的变化幅度增大，在轴瓦表面产生较大的附加冲击力，使轴瓦表面在较短的运行时间内产生裂纹，并以较快的速度沿着最大切应力方向由表面向内部扩展；另-方面，连杆大头瓦与曲柄销之间的油膜容54 中国设备工程 2013年6月修复与再制造易破裂，使轴瓦表面产生咬粘，且由此造成的裂痕会成为新的裂纹源，并在轴瓦运行的过程中不断扩展。这些裂纹不断向下扩展到达轴承合金与钢的结合面后，继续沿着结合线扩展。当它们彼此相遇产生裂纹的再结合时，就会形成轴承合金的虚录4落。许多虚剥落的组合导致了轴瓦表面的大块剥落。未被润滑油带走的剥落物将成为异物而起磨粒磨损作用，并使轴承间隙不断变化，造成润滑油泄漏，从而破坏稳定的润滑油膜，进-步促使轴承产生咬粘，造成连杆大头瓦快速疲劳失效，导致振动迅速增加，最后达到机组的报警值。

可见，曲柄销熔覆层承载能力降低、裂纹产生而导致润滑油膜破坏是曲柄销龟裂、大头瓦合金层脱落、振动加剧的根本原因。

三、改进措施如前所述，对修复后熔覆层先后进行磁粉探伤和x射线无损探伤，发现少量微裂纹存在。需对熔覆工艺、参数、熔覆层进行调整。

(11因镍基合金粉末含大量B、si、c等元素，随着高硬度硼化物、碳化物含量的增加，熔覆层的塑性下降，脆性增大，裂纹倾向也增大。据此，采用预热和焊后热处理，可使熔覆层内的应力松弛，防止基材的热影响区发生马氏体镶边，从而有效减少或消除裂纹。

f2)熔覆层稀释率随激光功率的增大而增大，功率密度较低时，基体熔深小，熔层与基体间的元素扩散大大降低，稀释率减小，可得到细密的熔覆层组织。功率和扫描速度- 定时，同种合金粉末熔覆的裂纹率随熔覆层厚度的增加而增加，需选择较薄的熔覆层。而送粉量和激光功率-定时，随扫描速度的增加，熔覆层裂纹也增加；因此，旧能采用较慢的扫描速度。改进前后熔覆工艺参数见表1。为进-步改善熔覆层的表面质量，在正式熔覆前进行小功率预热扫描，经试验得知较佳的预热扫描参数为：功率800W，扫描速度300mm/min。经预热的涂层在熔覆后的表面质量明显优于未经预热的涂层，并可减少熔覆后的磨削加工量。

表1 改进前后激光熔覆的工艺参数工艺参数 熔覆厚度/mm 激光功率，Ⅳ 送粉速度，fmIl/s1 扫描速度，(n rn，s)改进前 1.5 2 500 4.45 3.5改进后 1.2 2 150 4.28 3.0(3)在不影响熔覆合金性能的条件下加入稀土氧化物，得到组织细密的熔覆层，从而减少在运转过程中曲柄销裂纹产生及扩展的倾向。

对执行此改进工艺所修复的曲柄销进行金相组织检测，对熔覆层进行显微硬度分析，发现熔覆层与基体界面都达到了冶金结合的效果，未发现熔覆层有微裂纹、气孔、夹状态监测与诊断技术 l ·恭l 文章编号：1671-071 1(2013)06-0055-02状态监测技术在海上平台风机上的应用何 杉 ，王静平(I.中海石油技术检测有限公司，天津 300452；2.濮阳市双发实业有限责任公司，河南 濮阳 457001)摘要：对海上平台不同结构的风机故障进行总结，并结合实际案例详细介绍频谱分析在风机状态监测与故障诊断中的应用。

关键词：风机；故障；频谱分析；状态监测中图分类号：TH13.1，TH17 文献标识码：B-、 引言风机在海上动设备的故障率相对较高，包括风扇不平衡、机组不对中、皮带磨损或张紧力不适、轴承磨损等。如果这些故障不能及时发现，会给油田生产带来重大损失。

频谱分析技术是状态监测技术的-种有效手段。通过采集设备现场信号，然后做FfTr变换等处理，从而得到信号的频率分布和幅值大校当设备出现故障时它的振动会明显增大，相应的频率会出现在振动信号中，通过频谱分析可以找到故障原因。从而采取相应的维修措施，并使维修具有很强的针对性。

二、以下对风机故障案例进行分析1.风扇不平衡不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件缺损造成的故障。当转子出现不平衡故障时会出现如下状况。(1)其频谱图以工频为主导；(2)时域波形为正弦波；(3)轴心轨迹为椭圆；(4)相位稳定。

某平台空压机冷却风机振动幅值较高(49.54mm/s)，在电机前后轴承处水平或垂直方向的振动频谱图中均以工频为主导，时域波形成正弦波，电机驱动端水平方向测点的频谱图和时域波形图如图1所示。

4O30、虽20 10臀 0f CC )C )'r0 25 50 75 100 125 15O 175 21O频率/Hz(a)不平衡时的频谱图1.0490-s0- 0.5R 。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.519时间/s(b)不平衡时的时域波形图图1 风机不平衡时频谱图和时域波形图杂等缺陷。曲轴回装后使用到目前，运转情况良好。

四、结束语加工制造或修复受交变载荷的零件时，其内部缺陷会引起应力集中，成为疲劳破坏的隐患。需通过大量试验改进激光头熔覆技术修复工艺和参数。滑动轴承的配合间隙和温度都会对润滑油膜刚度有影响，润滑油膜失效则失去冷却和缓冲减振作用，导致曲柄销裂纹扩展并磨损失效。