1、前言

　　H22Ⅲ-165 /320型壓縮機(jī)為單機(jī)年產(chǎn)2萬噸合成氨加壓變換流程設(shè)計(jì)的四列對稱平衡式大型往復(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(以下簡稱A 公司)翻番擴(kuò)建工程的5臺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)停車次數(shù)占全部停車次數(shù)的3. 8% ,停車時(shí)間占全部臨時(shí)停車時(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,重者造成曲柄銷磨損,甚至開裂報(bào)廢,損失巨大。例如: 1997年12月由于5#壓縮機(jī)二級連桿大頭瓦燒瓦未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理而導(dǎo)致二級曲柄銷嚴(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)10萬元。因此,如何延長連桿瓦的使用壽命,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題之一。

2、活塞式壓縮機(jī)的連桿瓦失效統(tǒng)計(jì)

　　單臺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。連桿大頭瓦的失效伴隨有曲柄銷圓度、圓柱度誤差超標(biāo)、巴氏合金存在缺陷、潤滑油不合格等現(xiàn)象。連桿小頭銅套的失效主要伴隨有十字頭銷表面精度低、圓度、圓柱度誤差超標(biāo),其次是潤滑油不合格、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較低, 5～9年內(nèi)的失效頻率較高, 9年以后又開始下降并處于相對穩(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

　　軸瓦在工作過程中承受著油膜壓力、摩擦、彎曲、振動等交變載荷,軸瓦耐磨合金容易疲勞,經(jīng)過較長時(shí)間運(yùn)行將會產(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、潤滑不良

　　軸瓦與曲柄銷之間的潤滑屬于動壓潤滑,在正常情況下處于完全液體摩擦狀態(tài),兩者表面被潤滑油層完全分隔開,曲柄銷或十字頭銷依靠油膜層“托付”在連桿瓦表面上,此時(shí),軸瓦與曲柄銷或十字頭銷的摩擦阻力小、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)致潤滑不良。首先,在壓縮機(jī)啟動過程中由于主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí),傳動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,潤滑油冷卻裝置的泄漏與填料函帶水,潤滑油在使用時(shí)不可避免地受到溫度、濕度、壓力、氧化等的影響和作用,潤滑系統(tǒng)密封不嚴(yán),潤滑油過濾系統(tǒng)損壞或未及時(shí)清洗等等,導(dǎo)致潤滑油的機(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部件摩擦副間隙過大導(dǎo)致供油壓力不足,潤滑油乳化、粘度下降、供油壓力不足等會引起軸瓦與曲柄銷或十字頭銷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,潤滑油潤滑性能降低,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H22Ⅲ-165/320型壓縮機(jī)共有過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。