王娜 刘法波
河南心连心化学工业集团股份有限公司 ，河南，新乡 453700
摘要：通过分析往复式压缩机活塞杆断裂原因，找出防止活塞杆断裂的措施。
关键词：往复惯性力；疲劳强度；水击
在各类压缩机中，往复式压缩机在各行业应用比较广泛，尤其在化工行业的老企业中。在压缩机的使用中往往都出现过活塞杆突然断裂的设备事故。如发现及时损失不大，如不及时则会给企业造成严重损失：轻则撞坏气缸盖；重则撞坏十字头、连杆、曲轴，甚至造成停产。
本文通过对断裂原因的分析，提出相应的预防措施，以避免或减少活塞杆断裂的发生。
1设备简介
我公司低压机设备型号为6M40-394/24-BX型往复式半水煤气压缩机，该机组曲轴转速为333r/min，活塞杆的直径为100mm，材质为42CrMoE合金钢。在运行期间，二段活塞杆因在检修、检查过程中发现活塞杆直径磨损超标（标准：磨损量≥0.30mm）而更换。
2活塞杆断裂具体分析
从现场断裂裂纹情况分析，断口的部分横截面已经被断裂活塞杆的另一端撞击，研磨光滑，但从断口变形情况和断口表面研磨的情况可以推测，活塞杆属于疲劳断裂。如果是正拉断形式断裂，在断口的周围将产生明显的缩颈现象，如果是扭断或是扭转疲劳，那么断口应该与轴线呈现出45度的扭断，最后断区有明显变形，产生脆性断裂。但从现场看，断裂面比较平整，没有缩颈和45度的扭断现象，说明活塞杆断裂不是被拉断和扭断的，可能是疲劳引起的断裂。因为在大载荷作用下，无论是扭断、还是拉断均将导致断口周围发生明显的变形，只有疲劳断口才不会有明显的变形，而实际断裂活塞杆的断口恰好属于这种情况。
活塞杆断口表面局部可见因裂纹扩展的不连续性而造成的众多细小台阶(即河流花样，河流花样的上游即指向裂纹源)。从断口取样放大的图可以看出，裂纹源位于活塞杆表面螺纹的根部,并由表面向内扩展。根据断口表面比较平整且塑性变形痕迹比较少等特点，可以判断裂纹是以比较缓慢的速度扩展，结合活塞杆交变的工作应力状态，活塞杆的断裂属于疲劳断裂。
另根据断裂活塞杆的断裂面与活塞杆轴线约呈45°角，断裂裂纹在活塞杆表面螺纹根部形成，并沿径向向活塞杆中心扩展，最终瞬断区在活塞杆心部,显示出活塞杆呈现明显的疲劳断裂特征。
3活塞杆断裂原因分析
3.1活塞杆的制造质量差
活塞杆未严格按图纸要求加工，表面加工精度低，存在刀痕；螺纹丝底圆角过小；台阶处未光滑过渡或圆角小等。这些部位都可以成为裂纹原。以螺纹加工为例，螺纹在车制过程中，由于车工经验不足或失误，未将车刀磨出图纸要求圆角。使螺纹加工完后丝底圆角过小，使该处受拉的应力集中系数及受弯曲的应力集中系统数明显加大，使活塞杆在交变载荷作用下产生微小裂纹，并不断扩展，最终断裂。这种情况也与使用单位用件前未认真检验活塞杆尺寸有关。
另外，有些活塞杆为了提高疲劳强度，表面镀铬、镍等金属。
如镀层与基体结合不好，在使用中磨裂，则会造成裂纹下面的基体金属产生严重的集中滑移，诱发疲劳裂纹的产生。
3.2十字头安装不正确
在设备安装中如十字头端面与十字头下滑道不垂直，活塞杆与十字头紧固后十字头下滑板只有前端与滑道接触，后端悬空。当压缩机运转后连杆作用力的分力使下滑板与滑道完全贴合，使活塞上翘。而活塞在本身重力作用下与气缸表面接触，造成活塞杆弯曲，产生弯曲外力。与十字头联接的螺纹部位受力最大。其应力值与活塞杆所受循环应力最大值叠加，如超过许用应力值，则活塞杆将发生断裂。
另连杆瓦、十字头、气缸、活塞等部件安装数据未达到检修规程要求，或长期使用磨损使各部间隙过大及联接螺栓松动，都会造成十字头等部位振动过大，使活塞杆承受附加外力作用，也可导致活塞杆产生裂纹断裂。
3.3 十字头螺栓预紧力不匀
这种情况是指活塞杆与十字头采取方法兰联接的形式。方法兰的四条螺栓在十字头与活塞杆固定过程中预紧力不等，使活塞杆螺纹处靠预紧力大的螺栓侧形成附加弯曲压应力，其与循环应力叠加，也可导致活塞杆断裂。
3.4 活塞托瓦及气缸磨损
活塞在气缸中往复运动虽有润滑油润滑，但经过长期使用，活塞托瓦及气缸都会发生磨损，使活塞中心逐渐低于十字头中心。使活塞杆弯曲，活塞杆受弯曲外力作用，与十字头联接部位受力最大。而且磨损越大应力越大，其与循环应力综合作用使活塞杆断裂。
3.5气缸进入异物或水击
压缩机的气缸余隙均在几毫米，而气阀螺栓等气阀组件尺寸远远大于余隙尺寸。压缩机在运行中由于吸气阀螺栓松动后与阀组脱离，气阀组件吸入气缸或气阀因制造质量或材料疲劳破坏吸入气缸，造成活塞运动受阻，活塞杆所受拉力无限大，拉断活塞杆。
压缩机在开机过程中入口气体中大量带液，或多级压缩机级间冷却分离器长时间未排油水，导致压缩机吸入大量液体，因液体不可压缩，且不能及时排出，导致活塞运动受阻而拉断活塞杆。
另外活塞杆使用时间过长，超过其使用寿命，材料发生疲劳破坏也可使活塞杆断裂。
需要指出的是，以上各因素往往同时作用，加速了活塞杆断裂，缩短了其使用寿命。
4活塞杆断裂防范措施
通过提前检查等措施，有些活塞杆断裂是可以避免的。如：严格执行检修规程，在安装前认真核对活塞杆各部尺寸，对螺纹、台阶等应力集中部位重点检查。并定期用着色法进行表面探伤检查，以发现微小裂纹。同时选择有质量保证的供货商进货；在安装中保证十字头端面与滑道的垂直度；经常检查更换活塞托瓦，避免使活塞杆受弯曲外力；使十字头螺栓预紧力尽可能均匀，减小其对螺纹处附加力作用；定期检查各部件联接情况，避免间隙过大或螺栓松动，同时设备出现振动异常时应立即停机检查，避免发生事故；设备开机前认真检查入口情况，避免带液，定时排放级间冷却分离器油水，防止水击；按规程要求定期更换活塞杆，避免其疲劳破坏等。
5结语
由于活塞杆的断裂造成危害较大，我们在了解了活塞杆可能断裂的原因后，采取相应的防范措施，即可避免或减少断裂事故的发生。把生产损失降到最小，保证设备能够安全稳定运行！