氢气压缩机一级活塞杆轴肩断裂失效原因分析

引言
氢气压缩机是将水电解槽中收集来的氢气排 到舷外的一种通用型流体机械，依靠压缩空气来 实现对低压氢气的增压，广泛应用石油化工领域。 同时，也是石化装置的关键基础设备，北京中惠普对我国石油 化工工业的发展起到基础保障作用。近年来，我 国炼化装置迎来了大发展，加上国家政策上倾向 一些石油化工基础设备的国产化发展，这些对往 复式氢气压缩机的需求呈现逐年递增。目前系列 化大型往复式氢气压缩机均已经完成国产化，如 某压缩机企业北京中惠普公司生产的压缩机流量为 18 000 m3 /h 的大型氢气压缩机 等。由于我国在往复式氢气压缩机的基础研究方 面与欧美日一些发达国家相比还存在着一定的差 距，造成部分关键氢气压缩机在运行过程中易出 现十字头销断裂、缓冲罐接管开裂、气阀 阀片断裂以及曲轴断裂失效等事故。据 统计，氢气压缩机活塞断裂是较为普遍的失效事 故之一，然而其失效原因较为复杂。本文以某石 化企业用国产氢气压缩机为研究对象，对其活塞 杆断裂失效进行分析，旨在探讨氢气压缩机活塞 杆疲劳裂纹扩展及其失效根源，为类似相关研究 起到参考。

氢气压缩机运行参数
某石化企业用氢气压缩机流量为 18000m3 /h， 介质为氢气，入口工作温度为 38 ℃，出口工作温 度为 122 ℃，功率 1 600 kW。活塞作为氢气压缩 机的核心部件，其安全稳定运行时整个设备可靠 运行的关键后，在经检修后再投用后仅 2 个月的时间，突然发 生一级活塞杆断裂，通过拆机观测发现，具体断裂 部位发生在一级活塞杆端轴肩螺纹处，下文主要 针对其断裂根源进行详细分析。

活塞杆端轴肩断裂原因分析
活塞杆的材料是影响其强度、刚度以及疲劳 等的基础，为了能够分析一级活塞杆端轴肩断裂 的根源，本文对断裂的一级活塞杆端轴肩进行取 样，并与标准材料的化学成分进行对比分析。
通过比较分析可以得到，C、Si、Mn、Cr、Mo、Al 等元素所占的比例均在合理范围之内，与 GB/T 3077 规定的活塞杆材料 38CrMoA 的化学成分范 围一致，说明活塞杆材质与原设计材质相符，材料 成分不是影响其断轴的主要因素。

杆断口宏观形貌分析
氢气压缩机一级活塞杆端轴肩断裂 试样，从中可以看出活塞杆断裂部位发生在活塞 杆螺纹齿根处。
从整个断口宏观形貌特征可以看到，活塞杆 端轴肩断裂断口属于脆性断口特征。值得注意 的是纤维断裂区面积几乎占了整个断口的一半以 上，且裂纹扩展区相对较少，由此可以说明活塞杆 在断裂前所受的载荷出现应力集中，且承受的载 荷是相当高的。从另外一个层面可以说明活塞杆 在按正常应力设计时，未能准确考虑到其运行中 所承受的最大载荷，及该最大载荷出现位置，这是 造成活塞杆端轴肩断裂的主要因素之一。

活塞杆材料的金相组织与螺纹质量检查
为了能够进一步分析活塞杆端轴肩断裂的形 成根源，需要针对其材料的金相组织以及螺纹质 量进行深入研究。

结论与建议
通过对活塞杆材料化学成分和金相组织进行 分析发现，材料及热处理工艺无异常情况，活塞杆 材质与原设计材质相符，材料成分差异不是影响 其断轴的主要因素。 根据断口宏观与微观形貌分析，结合断口呈 明显的脆性疲劳断口特征可以发现，活塞杆在断 裂前所受的载荷出现应力集中，且承受的载荷是 相当高的，上期在这种载荷下运行时出现疲劳裂 纹，并不断向外扩展，最终演化为轴肩断裂现象。 为了防止类似事故的再次发生，建议：调节设 备运行工况尽可能不要出现突变工况，严格控制 活塞杆运行环境，确保活塞杆在合理工况区间运 行；活塞杆检测过程中，按照国家标准应严格进行 对其表面质量检查和探伤进行监测，并对表面微 型裂纹做定期检验，预防微型裂纹源诱导活塞杆 过早发生疲劳断裂。