1、前言

　　H22Ⅲ-165 /320型壓縮機(jī)為單機(jī)年產(chǎn)2萬(wàn)噸合成氨加壓變換流程設(shè)計(jì)的四列對(duì)稱(chēng)平衡式大型往復(fù)活塞式壓縮機(jī),也是目前中型氮肥廠合成氨裝置中的主要設(shè)備,其主軸轉(zhuǎn)速333 r /min,最大活塞力為22 t,最終排氣壓力為31. 4MPa,排氣量165m3 /min。作者調(diào)查并統(tǒng)計(jì)了從1992～2006年某化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)A 公司)翻番擴(kuò)建工程的5臺(tái)H22Ⅲ-165/320 型的壓縮機(jī)運(yùn)行狀況,平均運(yùn)轉(zhuǎn)率為79. 6% ,由于連桿瓦失效導(dǎo)致壓縮機(jī)停車(chē)次數(shù)占全部停車(chē)次數(shù)的3. 8% ,停車(chē)時(shí)間占全部臨時(shí)停車(chē)時(shí)間的18.5% ,維修費(fèi)用占全部維修費(fèi)用的10. 7% ,維修費(fèi)用與對(duì)生產(chǎn)的影響僅次于氣閥。如果連桿瓦在燒瓦后發(fā)現(xiàn)不及時(shí),輕者導(dǎo)致連桿變形、損壞,重者造成曲柄銷(xiāo)磨損,甚至開(kāi)裂報(bào)廢,損失巨大。例如: 1997年12月由于5#壓縮機(jī)二級(jí)連桿大頭瓦燒瓦未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理而導(dǎo)致二級(jí)曲柄銷(xiāo)嚴(yán)重磨損,最大磨損量達(dá)0.52mm,多次換瓦均未成功,然后將主軸拆下,外送機(jī)械加工,共用48天時(shí)間才重新恢復(fù)生產(chǎn),修復(fù)費(fèi)用達(dá)10萬(wàn)元。因此,如何延長(zhǎng)連桿瓦的使用壽命,提高連桿瓦的可靠性,如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理故障,防止事故擴(kuò)大是各中氮企業(yè)迫切需要解決的主要問(wèn)題之一。

2、活塞式壓縮機(jī)的連桿瓦失效統(tǒng)計(jì)

　　單臺(tái)H22Ⅲ-165/320型壓縮機(jī)包含4 副連桿,每副連桿有一副連桿大、小頭瓦。連桿大頭瓦為剖分式薄壁軸瓦,由20#鋼坯澆鑄耐磨巴氏合金Zchsb11 - 6組成,規(guī)格為280*300 ×160,小頭瓦為整體式軸瓦,材質(zhì)為25-5鉛青銅,規(guī)格為140*160 ×160。連桿大、小頭瓦的失效癥狀與相關(guān)現(xiàn)象如表1所示。

　　從失效的總體情況看,在15年中5臺(tái)H22Ⅲ-165 /320型壓縮機(jī)共更換了267 副連桿大、小頭瓦,大頭瓦更換207副,占全部連桿瓦的77. 53%,小頭瓦更換60 副,占全部連桿瓦的22. 47% ,因
此,連桿瓦失效以大頭瓦為主。從失效的癥狀來(lái)看,連桿大頭瓦的失效以巴氏合金層脫落為主,其次是間隙超標(biāo),小頭銅套的失效以間隙超標(biāo)為主,其次是超溫、松動(dòng)。連桿大頭瓦的失效伴隨有曲柄銷(xiāo)圓度、圓柱度誤差超標(biāo)、巴氏合金存在缺陷、潤(rùn)滑油不合格等現(xiàn)象。連桿小頭銅套的失效主要伴隨有十字頭銷(xiāo)表面精度低、圓度、圓柱度誤差超標(biāo),其次是潤(rùn)滑油不合格、銅套材質(zhì)缺陷和加工誤差大等現(xiàn)象。

圖1　連桿瓦失效時(shí)間序列分布

　　圖1為A公司1992～2006年連桿瓦的失效情況。圖1表明A公司的5臺(tái)H22Ⅲ-165/320型壓縮機(jī)在投產(chǎn)的前4年內(nèi)連桿大頭瓦失效的頻率相對(duì)較低, 5～9年內(nèi)的失效頻率較高, 9年以后又開(kāi)始下降并處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。15 年內(nèi)連桿小頭銅套失效頻率變化不明顯。

3、活塞式壓縮機(jī)連桿瓦失效原因分析

3. 1、合金疲勞

　　軸瓦在工作過(guò)程中承受著油膜壓力、摩擦、彎曲、振動(dòng)等交變載荷,軸瓦耐磨合金容易疲勞,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生微裂紋,并以由慢到快的速度沿著最大切應(yīng)力方向由表面向內(nèi)部擴(kuò)展,機(jī)油滲入裂紋中后對(duì)裂紋產(chǎn)生很大的交變擠壓作用,加速了裂紋的擴(kuò)展,逐漸發(fā)展呈“網(wǎng)狀龜裂”,當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到巴氏合金與鋼坯的結(jié)合面并彼此相遇時(shí),巴氏合金層出現(xiàn)小塊剝落,許多小塊剝落的組合導(dǎo)致了軸瓦的大塊剝落。在15年中A公司由于巴氏合金局部裂紋、脫落共更換了112副連桿大頭瓦,有66次曲柄銷(xiāo)的形位誤差與表面精度未超標(biāo),并且安裝與備件質(zhì)量、潤(rùn)滑油均符合要求,連桿瓦失效的主要原因是合金疲勞。

3.2、潤(rùn)滑不良

　　軸瓦與曲柄銷(xiāo)之間的潤(rùn)滑屬于動(dòng)壓潤(rùn)滑,在正常情況下處于完全液體摩擦狀態(tài),兩者表面被潤(rùn)滑油層完全分隔開(kāi),曲柄銷(xiāo)或十字頭銷(xiāo)依靠油膜層“托付”在連桿瓦表面上,此時(shí),軸瓦與曲柄銷(xiāo)或十字頭銷(xiāo)的摩擦阻力小、磨損小。但當(dāng)油質(zhì)變差、油壓下降時(shí),有可能破壞完全液體摩擦狀態(tài),導(dǎo)致潤(rùn)滑不良。首先,在壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中由于主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí),傳動(dòng)部件各摩擦副處于干摩擦或半干摩擦狀態(tài),導(dǎo)致摩擦副一定程度的磨損,供油泵齒輪與齒輪、齒輪與泵殼的機(jī)械磨損,潤(rùn)滑油冷卻裝置的泄漏與填料函帶水,潤(rùn)滑油在使用時(shí)不可避免地受到溫度、濕度、壓力、氧化等的影響和作用,潤(rùn)滑系統(tǒng)密封不嚴(yán),潤(rùn)滑油過(guò)濾系統(tǒng)損壞或未及時(shí)清洗等等,導(dǎo)致潤(rùn)滑油的機(jī)械雜質(zhì)與水分含量超標(biāo),油品品質(zhì)變差,粘度下降,潤(rùn)滑性能降低,磨損加快。其次,由于供油系統(tǒng)阻力上升、油泵磨損間隙加大或傳動(dòng)部件摩擦副間隙過(guò)大導(dǎo)致供油壓力不足,潤(rùn)滑油乳化、粘度下降、供油壓力不足等會(huì)引起軸瓦與曲柄銷(xiāo)或十字頭銷(xiāo)之間的最小油膜厚度變小或油膜破裂,油膜厚度變小后可能小于半干摩擦的油膜厚度,使兩者發(fā)生半干摩擦,油膜破裂易使軸瓦表面產(chǎn)生咬粘, 并由此造成的傷痕會(huì)成為巴氏合金層新的裂紋源。機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入油中將導(dǎo)致摩擦副的磨粒磨損,摩擦副的磨損進(jìn)一步引起潤(rùn)滑油品質(zhì)下降。A公司的51副連桿大頭瓦及32副小頭瓦因間隙超標(biāo)更換,主要原因在于滑潤(rùn)不良。

3.3、軸瓦制造質(zhì)量

　　巴氏合金層與鋼殼結(jié)合不牢固,合金層的裂紋、劃傷、氣孔、夾雜等缺陷均是應(yīng)力集中源,降低了抗疲勞強(qiáng)度,易引起大頭瓦巴氏合金裂紋、脫落及小頭瓦銅套裂紋或破裂。常有大頭瓦使用時(shí)間極短就出現(xiàn)裂紋或脫落的現(xiàn)象并且曲柄銷(xiāo)的形位誤差與表面精度也未超標(biāo),主要是因?yàn)楹辖饘拥膬?nèi)在缺陷或合金與鋼殼結(jié)合不牢固降低了合金疲勞壽命所至。軸瓦內(nèi)、外圓柱面同軸度超標(biāo),軸瓦徑向受力沿軸向分布不均并產(chǎn)生附加軸向載荷,徑向受力不均使油膜不穩(wěn),易發(fā)生干摩擦且局部沖擊力加大,導(dǎo)致合金層局部磨損、裂紋或脫落,附加軸向載荷造成小頭瓦銅套的一端與十字頭接觸面強(qiáng)行摩擦而產(chǎn)生熱量,使連桿小頭整體超溫,潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能降低,摩擦加劇,小頭瓦在高溫下變形失效,甚至引起連桿小頭本體內(nèi)孔變形。A公司5臺(tái)H22Ⅲ-165/320型壓縮機(jī)共有過(guò)12副小頭瓦銅套因超溫更換,均由于銅套加工時(shí)內(nèi)、外圓柱面同軸度誤差超標(biāo)所至, 6次銅套裂紋中有3次是由于銅套的內(nèi)在缺陷引起。