1、前言

　　H22Ⅲ-165 /320型壓縮機為單機年產2萬噸合成氨加壓變換流程設計的四列對稱平衡式大型往復活塞式壓縮機,也是目前中型氮肥廠合成氨裝置中的主要設備,其主軸轉速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。作者調查并統計了從1992～2006年某化工有限公司(以下簡稱A 公司)翻番擴建工程的5臺H22Ⅲ-165/320 型的壓縮機運行狀況,平均運轉率為79. 6% ,由于連桿瓦失效導致壓縮機停車次數占全部停車次數的3. 8% ,停車時間占全部臨時停車時間的18.5% ,維修費用占全部維修費用的10. 7% ,維修費用與對生產的影響僅次于氣閥。如果連桿瓦在燒瓦后發現不及時,輕者導致連桿變形、損壞,重者造成曲柄銷磨損,甚至開裂報廢,損失巨大。例如: 1997年12月由于5#壓縮機二級連桿大頭瓦燒瓦未及時發現處理而導致二級曲柄銷嚴重磨損,最大磨損量達0.52mm,多次換瓦均未成功,然后將主軸拆下,外送機械加工,共用48天時間才重新恢復生產,修復費用達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,如何及時發現處理故障,防止事故擴大是各中氮企業迫切需要解決的主要問題之一。

2、活塞式壓縮機的連桿瓦失效統計

　　單臺H22Ⅲ-165/320型壓縮機包含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,規格為280*300 ×160,小頭瓦為整體式軸瓦,材質為25-5鉛青銅,規格為140*160 ×160。連桿大、小頭瓦的失效癥狀與相關現象如表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,小頭銅套的失效以間隙超標為主,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、巴氏合金存在缺陷、潤滑油不合格等現象。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,其次是潤滑油不合格、銅套材質缺陷和加工誤差大等現象。

圖1　連桿瓦失效時間序列分布

　　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型壓縮機在投產的前4年內連桿大頭瓦失效的頻率相對較低, 5～9年內的失效頻率較高, 9年以后又開始下降并處于相對穩定狀態。15 年內連桿小頭銅套失效頻率變化不明顯。

3、活塞式壓縮機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,經過較長時間運行將會產生微裂紋,并以由慢到快的速度沿著最大切應力方向由表面向內部擴展,機油滲入裂紋中后對裂紋產生很大的交變擠壓作用,加速了裂紋的擴展,逐漸發展呈“網狀龜裂”,當裂紋擴展達到巴氏合金與鋼坯的結合面并彼此相遇時,巴氏合金層出現小塊剝落,許多小塊剝落的組合導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,并且安裝與備件質量、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,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,軸瓦與曲柄銷或十字頭銷的摩擦阻力小、磨損小。但當油質變差、油壓下降時,有可能破壞完全液體摩擦狀態,導致潤滑不良。首先,在壓縮機啟動過程中由于主軸轉速較低時,傳動部件各摩擦副處于干摩擦或半干摩擦狀態,導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,潤滑系統密封不嚴,潤滑油過濾系統損壞或未及時清洗等等,導致潤滑油的機械雜質與水分含量超標,油品品質變差,粘度下降,潤滑性能降低,磨損加快。其次,由于供油系統阻力上升、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,使兩者發生半干摩擦,油膜破裂易使軸瓦表面產生咬粘, 并由此造成的傷痕會成為巴氏合金層新的裂紋源。機械雜質進入油中將導致摩擦副的磨粒磨損,摩擦副的磨損進一步引起潤滑油品質下降。A公司的51副連桿大頭瓦及32副小頭瓦因間隙超標更換,主要原因在于滑潤不良。

3.3、軸瓦制造質量

　　巴氏合金層與鋼殼結合不牢固,合金層的裂紋、劃傷、氣孔、夾雜等缺陷均是應力集中源,降低了抗疲勞強度,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。常有大頭瓦使用時間極短就出現裂紋或脫落的現象并且曲柄銷的形位誤差與表面精度也未超標,主要是因為合金層的內在缺陷或合金與鋼殼結合不牢固降低了合金疲勞壽命所至。軸瓦內、外圓柱面同軸度超標,軸瓦徑向受力沿軸向分布不均并產生附加軸向載荷,徑向受力不均使油膜不穩,易發生干摩擦且局部沖擊力加大,導致合金層局部磨損、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行摩擦而產生熱量,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孔變形。A公司5臺H22Ⅲ-165/320型壓縮機共有過12副小頭瓦銅套因超溫更換,均由于銅套加工時內、外圓柱面同軸度誤差超標所至, 6次銅套裂紋中有3次是由于銅套的內在缺陷引起。