（机械电子工程专业论文）超高压往复式压缩机填料盘失效原因分析.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文主要结合燕山石化采用的国产化填料盘的失效现象，对填料盘进行失效分析。 从失效的零部件的外观来看，缺陷的类型主要是断裂。作为超高压压缩机零部件，其材 料机械性能、热处理、表面处理等设计、制造技术条件和要求具有一定的特殊性。 本课题主要是通过对工况条件下填料盘所受应力进行分析计算，了解零部件的受力 特征、应力分布规律及其影响因素，并结合断口、金相、材料性能等分析、测试工作， 从应力状态、材料质量、加工质量三方面查找零件开裂原因。对失效填料盘的预应力进 行测定，并和理论计算的采用应力大小和分布情况进行比较，判断内外环的配合过盈量 偏小，并通过实际解体和测量进行验证。通过对失效填料盘从断口宏观形貌、微观形貌、 金相组织和机械性能等方面进行分析，确认材料的机械性能符合要求，但材料的夹杂较 为严重。填料材料的夹杂相当于材料内部存在微观不连续缺陷，进而诱发疲劳断裂，是 填料盘失效的主要原因。 对工况条件下填料盘的受力情况进行分析，进一步验证如果材料各项指标符合标准 要求，配合过盈量合适，填料盘将不会出现断裂失效。 关键词：超高压压缩机；填料盘；失效分析 超高压往复式压缩机填料盘失效原冈分析 f a i l u r ea n a l y s i so fs t u f f i n gb o xo fr e c i p r o c a t i n gh y p e r c o m p r e s s o r s a b s t r a c t t 1 1 i sp a p e ra n a l y z e st h ef a i l u r eo fs t u f f i n gb o xb a s e do nt h ef a i l u r ep h e n o m e n o no f h o m e - m a d es t u f f i n gb o x e si ny a n s h a np e t r o l e u mc o m p a n y f r o mt h ea p p e a r a n c eo ft h e d i s a b l c dc o m p o n e n t s ，r u p t u r ei st h em a i nt y p eo fd e f e c t a sap a r to fh y p e r - c o m p r e s s o r , t h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n tf o rd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gi n c l u d i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m a t e r i a l ，h e a tt r e a t m e n ta n ds u r f a c ep r o c e s sh a v ei t so w nc h a r a c t e r i s t i c s t h ed i s s e r t a t i o ni st ou n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a db e a r i n go nt h ec o m p o n e n t ， s t r e s sd i s t r i b u t i o n sa n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r st h r o u g hc a l c u l a t i o n so ft h es t r e s sl o a d e do nt h e s t u f f i n gb o xu n d e ro p e r a t i o nc o n d i t i o n b a s e do nt h et e s ta n da n a l y s i so ft h ef r a c t u r es u r f a c e ， m e t a l l i cp h a s ea n dp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l ，t h ec r a c k i n gr e a s o n sa r ea n a l y z e df r o mt h ep o i n t o fs t r e s ss t a t e ，t h eq u a l i t yo ft h em a t e r i a la n dt h em a c h i n i n gq u a l i t y n er e s u l ts h o w st h a tt h e v a l u eo fi n t e r f e r e n c ef i to fi n n e ra n do u t e rr i n g si ss m a l lg e t t i n gf r o mt h ec o m p a r i s o no ft h e m a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h ep r e s t r e s sm e a s u r e df r o mf a i l e ds t u 伍n gb o xa n dt h e t h e o r e t i c a ls t r e s s t l l i sr e s u l ti sa l s ot e s t e dt h r o u g hp r a c t i c a ld i s a s s e m b l ya n dm e a s u r e m e n t f r o mt h ea n a l y s i so f m a c r o s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i cr u p t u r ec o n f i g u r a t i o n ，m e t a l l i cp h a s ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef a i l e db o x ，i tc o u l db ef o u n dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sm e e t t h er e q u i r e m e n t s b u tt h em a t e r i a li ss e r i o u s l yi n t e r l a r d e d t h ei n t e r l a r d a t i o no ft h es t u f f i n g b o x sm a t e r i a lr e s u l t si nm i c r o c o s m i cd i s c o n t i n u i t ya n da st h em a i nf a i l u r ec a u s ei tc a ni n d u c e r a t i n ef a i l u r e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h el o a d so nt h es t u f f i n gb o xu n d e ro p e r a t i o nc o n d i t i o n , f r a c t u r e f a i l u r ew i l ln o th a p p e ni fe a c hi n d e xo f t h em a t e r i a li sq u a l i f i e da n dt h ei n t e r f e r e n c ef i ti sp r o p e r a n df i n a l l yt h es t u f f i n gb o xc a nb eo p t i m i z e df r o mt h er e s p e c to fd e s i g n k e yw o r d s ：h y p e r - c o m p r e s s o r s ；s t u f f i n gb o x ；f a i l u r ea n a l y s i s ； i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：窒重曼堡堕巨鱼亚堕塑蛰叠显垫三红： 作 者签名 ：与车塑垒至l日期：翠年三月，- 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权 保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：塑塑塑塑坐至豳亟 作者签名：j 塑日期：碑年l 月乙日 导师签名： 鸯杰亟重 日期：竺! 刍年j 三月日 人连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 超高压压缩机是石化行业高压聚乙烯装置( l d p e ) 心脏设各之一。它为乙烯聚合 反应提供足够高的压力，压缩机出口压力最高可达3 i o m p a t i - 2 。压缩机的制造要求非常 严格，在世界范围内能生产超高压压缩机的只有两家，瑞士的苏尔寿和意太利的新比隆。 苏尔寿生产超高压压缩机历史较长，设计思想比较成熟，机型主要有f 和k 型。其 结构特点是压缩机由曲轴箱、中体( 辅助十字头) 、气缸件等组成，柱塞与辅助十字头 连接。辅助十字头的作用是减缓由于机加工精度、安装调试偏差对压缩机运行的不良影 响，确保压缩机运行平稳。带动连杆运行的十字头滑块设置在曲轴箱底部，由于设置了 辅助十字头，故气缸至曲轴箱的尺寸较长，为减少由此造成的偏摆与振动，气缸部件靠 前方设计了支架。采用该公司技术生产的压缩机为f 8 型，结构如图11 所示。 t n n 6 一w m * 2 嚣半。 一p o _ ：嚣一 “ c _ 日n 删岫m ，日m l o t 1 ”篙嚣警 = ? 一一 。：= = = = f ；。 幽l1 苏尔寿制造的超高压压缩机 f i g 1 1 h y p e r _ c o m p r e s s o r m a d e b y s u l z e r 新比隆压缩机的结构特点是压缩机由曲轴箱、气缸等大型部件组成，柱塞直接与十 字头相连，十字头导向系统包括两个侧翼，位于与两柱塞轴线和十字头销同一水平面上， 侧翼与十字头长度相同，进行水平定位，而垂直导向位于十字头上面相对的两侧，进行 超高j 矗往复式t 缩机填料箍失败原啪分析 垂直定位，以保证柱塞精确运动，没有辅助十字头，气缸前部不设支撑板。我厂在用该 公司生产的压缩机为p k l 2 2 型，结构如图l2 所示。 幽12 新比隆生产的超高压压缩机 f i g 12 h y p e r - e o m p r e s s o r m a d e b y n u o v op i g n o n e 图13f - 8 硝压缩机川填料箱 f i g13s t u f f i n g b o xo f f - 8 h y p e r - c o m p r e s s o r 两种压缩机高压金属填料箱的结构相同，各零部件都是设计成简单的圆筒或圆盘 形，这些内径不同的环按照一定的顺序排列，并用二个螺栓固定在热址缸套上。每个环 都自内环和外环组成，外环是热套安装的，给内环以预紧力。会属填料和减压环安装在 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 零部件层叠后形成的空间内，强制注入的润滑油通过零部件上的注油孔和注油槽注入 分别如图13 和图1 4 所示。 二：互一一一 | _ 幽14p k l 2 2 型压缩机用填料箱 f i gi 4 s m i t i n g b o xo f p k l 2 2 h y p e r - c o m p r e s s o r 表11国内l d p e 装置超高压压缩机使用情况 t a b 11 d o m e s t i c u s a g e o f h y p e r - c o m p r e s s o r 压缩机生产 出口压力电机功率 装置名称型式台数 备注 k w 燕山 日立f 82 6 06 4 0 0 苏自 寿技术 上海8 0 苏尔寿 大庆印 苏尔寿3 0 0 葭名1 0 0 新比隆 k 曲i d p e 齐鲁1 4 0 苏尔寿 燕山2 0 0 新比隆 k t a l d p e 超高压往复式压缩机填料盘失效原因分析 1 1 课题研究背景 在国内l d p e 装置中，苏尔寿和新比隆超高压压缩机都有广泛应用，其中茂名年产 1 0 0 k t a l d p e 装置第一家使用新比隆压缩机，燕山正在兴建的2 0 0 k t a l d p e 装置是第二 家使用新比隆压缩机，其余的l d p e 装置使用的都是苏尔寿压缩机【3 。5 】。国内l d p e 装 置使用超高压压缩机的情况如表1 1 所示。 苏尔寿生产超高压压缩机历史较长，其销售的超高压压缩机有2 0 0 多台，设计思想 比较成熟。超高压压缩机机型主要有f 和k 型，其中f 型打气量可达2 0 8 0 t h ，k 型可 达3 2 1 2 5 t h ，苏尔寿现能生产k 1 2 型压缩机，电机功率可达2 2 0 0 0 k w ，可满足年产3 0 0 k t al d p e 需求。对于年产2 0 0 k t al d p e 装置来说，超高压压缩机打气量需8 4 t h 左右。 苏尔寿相应的压缩机机型有f 1 2 型或k 8 型，但使用较多的为k 8 型，气缸数量较少， 可节省相当的备件数量，降低成本。 表1 2 超高压压缩机性能参数对比 t a b 1 2 c o m p a r i s o no f h y p e r - c o m p r e s s o r sp a r a m e t e r s 生产厂家意大利新比隆 瑞士苏尔寿 机型 1 2 p k 2k 8 转速2 1 4 r m i n 2 0 0 r m i n 电机功率 1 6 5 0 0 k w1 6 0 0 0 k w 吸入压力瓜心a 一级：2 8 6 ：二级：1 7 4 2一级：2 8 5 ；二级：1 1 5 吸入温度 一级：3 0 ：二级：2 0一级：4 2 ：二级：4 2 排出压力m v a一级：1 7 9 6 ；二级：3 1 0一级：1 1 8 5 ：二级：2 9 0 排出温度一级：1 0 2 ；二级：5 2 一级：1 0 0 ；二级：9 1 打气量 8 5 t h8 4 t h 气缸数一级、二级各6 个一级、二级各4 个 缸径n u n一级：1 0 0 ；二级：8 8 5一级：1 3 0 ：二级：1 0 7 冲程m m 一级：3 7 5 ：二级：3 2 5一级：3 6 5 ：二级：4 0 5 柱塞杆材质 整体碳化钨整体碳化钨 最大允许工作压力m p a 一级：2 2 5 二级：3 4 5一级：1 8 0 ；二级：3 3 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 6 0 年代新比隆运用另一套思路开始设计超高压压缩机，其气缸设计以新比隆在高压 方面丰富的经验为基础，运动机构为保证柱塞的精确运动，十字头采用特殊结构，无需 辅助十字头，使得新比隆压缩机在运动机构和气缸组件方面有其较为特殊的地方。对于 年产2 0 0 k t a l d p e 装置来说，其压缩机机型主要为1 2 p k 2 ，打气量为8 2 8 - - - ，8 5 t h ，电 机功率1 4 3 0 0 - - 1 4 8 0 0k w ，出口压力3 0 0 3 1 0 m p a 。 1 1 1l d p e 装置超高压压缩机性能参数 意大利新比隆和瑞士苏尔寿超高压压缩机在2 0 0 k t al d p e 装置上所用的压缩机机 型不一样，新比隆为1 2 缸配置，苏尔寿为8 缸配置，打气量相差不多，具体性能参数 见表1 2 。 1 1 2 超高压压缩机的结构特点 新比隆压缩机由曲轴箱、气缸等大型部件组成，柱塞直接与十字头相连，没有辅助 十字头，气缸直接与曲轴箱相连，气缸前部不设支撑板。曲轴箱上部的盖板上设有呼吸 阀，以防止乙烯泄漏对压缩机的影响。曲轴箱底部设计成v 型结构，可容纳更多的润滑 油能当油箱使用，因此外部油箱设计较小。曲轴箱选材为铸铁，整体铸造。其一段出入 口阀为两体设计，二段为组合阀如图1 5 所示。 二级气缸电机 一级气缸 图1 5 新比隆1 2 p k 2 型压缩机简图 f i g 1 5 s c h e m a t i co f1 2 p k 2h y p e r - c o m p r e s s o rm a d eb yn u o v op i g n o n e 苏尔寿压缩机由曲轴箱、中体( 辅助十字头) 、气缸件等组成，柱塞与辅助十字头 连接，辅助十字头的作用是减缓由于机加工精度、安装调试偏差对压缩机运行的不良影 响，确保压缩机运行平稳。带动连杆运行的十字头滑块设置在曲轴箱底部，由于设置了 辅助十字头，故气缸至曲轴箱的尺寸较长，为减少由此造成的偏摆与振动，气缸部件靠 前方设计了支架如图1 6 所示。由于设有辅助十字头，泄漏气体可由中体处释放，因而 曲轴箱上盖无须设置呼吸阀，曲轴箱选材为锻钢。 一5 一 超高压往复式压缩机填料盘失效原因分析 电机 一级和二级气缸 图1 6 苏尔寿k 8 型压缩机简图 f i g 1 6 s c h e m a t i co fk 8h y p e r - c o m p r e s s o rm a d eb ys u l z c r 新比隆压缩机曲轴上有润滑油孔，十字头导向系统包括两个侧翼，位于与两柱塞轴 线和十字头销同一水平面上，侧翼与十字头长度相同，进行水平定位，而垂直导向位于 十字头上面相对的两侧，进行垂直定位，以保证柱塞精确运动，十字头运动中心线与柱 塞同心，这样可不需要辅助十字头。 苏尔寿压缩机曲轴没有油孔，十字头导向机构位于曲轴箱底部。其运行中心线与柱 塞运动中心线不在同一轴线上，有辅助十字头，位于中体内，使得柱塞的运动更为精确。 另外，可以将泄漏气体通过中体放出，防止气体进入到曲轴箱，安全性较好。 由于超高压压缩机出口压力可达3 0 0 m p a ，压缩机本身承受着相当大的作用力，特 别是压缩机的运动机构。例如对主轴瓦来说，为了保证压缩机在相当大的作用力下能安 稳运转，保证轴瓦的动压润滑油膜不受破坏显得尤为重要，而轴瓦动压润滑油膜的稳定 与轴瓦本身的结构和其受载工况有关。对于苏尔寿压缩机来说，由于有辅助十字头，运 转比较平稳，轴瓦受载工况较好。主轴瓦水平放置，在油膜区域有一水平切口，对油膜 稳定成型虽有一定影响，但由于其受载工况较好，轴瓦的动压润滑油膜还是保持较好。 对于新比隆压缩机来说，由于没有辅助十字头，运转平稳性相对较差，为了弥补对主轴 瓦造成的不良影响，近年来新比隆压缩机将主轴瓦由水平放置改为垂直放置，这样在动 压润滑油膜区域内轴瓦表面保持连续，对油膜的稳定成型有良好效果。而主轴瓦能否垂 直放置与压缩机本身的结构有关，新比隆压缩机曲轴上有润滑油孔，借助此孔可将主轴 瓦由水平位置转到垂直位置，而苏尔寿压缩机曲轴上没有润滑油孔，无法将主轴瓦由水 平位置转到垂直位置【6 j 。 新比隆压缩机由于没有辅助十字头，因而要求气缸与曲轴箱间密封十分可靠。为了 预防大量乙烯从填料中泄漏，特在曲轴箱上设置有呼吸阀，苏尔寿压缩机有辅助十字头， 泄漏气体可由中体处释放，并可增加两道密封防止气体泄漏到曲轴箱，使其安全性有所 大连理工大学专业学位硕士学位论文 增加。 新比隆压缩机由于没有辅助十字头，配管空间较小，填料气泄漏、冷却油以及油排 放管线挤在狭小的空间内，配管难度较大，而苏尔寿压缩机有辅助十字头，加大了配管 空间，配管工作较易进行。另外在每次更换填料、密封件时，新比隆压缩机都要将曲轴 箱上盖拿掉，才能脱开柱塞杆，换下气缸。由于十字头滑块在上部，打开上盖后，周围 有很多油，清理较困难。为了防止脏东西掉进曲轴箱内，对检维修工作要求很高。每次 更换料时必须拿下气缸，拆下与气缸相连的所有配管，工作量较大。而苏尔寿压缩机检 维修较为方便，更换填料时不必拿下气缸，只需拆进排气管，检修较为方便。 1 1 3 超高压缩机发展趋势 随着l d p e 技术的不断发展，超高压压缩机也在不断地适应其变化【7 1 。其主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) l d p e 装置规模越来越向大型化方向发展。近几年在世界各地兴建了多套年产 2 0 0 k t 的l d p e 装置，燕山石化正在兴建国内第一套年产2 0 0 k t l d p e 装置。为了节省投 资和降低产品成本，超高压压缩机也需向大型化方向发展，新比隆压缩机机型基本为1 2 p k 2 型，需用1 2 个气缸，而苏尔寿用于年产2 0 0 k t l d p e 装置的超高压压缩机为k 8 型， 仅需8 个气缸，但其压缩机每段有中体和辅助十字头，平衡下来，两家的设备价格不会 相差太悬殊。 ( 2 ) 在l d p e 装置扩能方面。装置年产能力增大，要求压缩机的打气量相应提高， 对于年产2 0 0 k t l d p e 装置，超高压压缩机打气量增加较佳，途径是增加气缸数量。对于 新比隆压缩机来说，电机放在中间，两头各有六个气缸，其中一段气缸曲轴箱与电机为 弹性连接，二段气缸曲轴箱与电机为刚性连接，如想增加气缸显得较为困难；对于苏尔 寿压缩机来说，可用k 8 型，8 个气缸在一头，电机在另一头，如想增加气缸，可在电 机的另- - f l ! i 增加气缸，k 8 型压缩机在年产2 0 0 k t l d p e 装置中如想增加装置年产能力具 有较大弹性。另外，通过增大气缸缸径或加大柱塞冲程也可提高压缩机打气量。对于 k 8 型压缩机来说，更换曲轴，使柱塞冲程加大可将压缩机打气量提高1 0 ，打气量可 达9 2 4 t h ，按乙烯聚合反应平均3 3 转化率、年生产时间8 0 0 0 h 计算，年产聚乙烯可达 2 4 4 k t 。扩能后的压缩机的性能参数见表1 3 。 可以看出，在新建l d p e 装置时，如考虑今后装置生产能力增加时，选用k 8 型压 缩机方案较好，配置较大功率电机，在需扩能时更换一根较大冲程的曲轴，压缩机的打 气量就可增加，以满足增产的需要，改造投资可大大节省。 超高压往复式压缩机填料盘失效原冈分析 表1 3k 8 型压缩机性能参数 t a b 1 3p a r a m e t e r so fk 8h y p e r - c o m p r e s s o r 压缩机形式k 8 ( 扩展后) 转速 2 0 0 r r a i n 电机功率 1 8 0 0 0 k w 吸入压力一级：2 8 5二级：1 1 5 排出压力 一级：1 1 8 5 二级：2 9 0 打气量 9 2 4 t h 气缸数一级：4二级：4 柱塞直径m m一级：1 3 0二级：1 0 7 冲程m m一级：4 0 0 二级：4 4 5 柱塞材质 整体碳化钨整体碳化钨 最大工作压力m p a一级：1 8 0二级：3 3 0 ( 3 ) 为了在l d p e 领域内占有一席之地，压缩机生产厂家越来越重视与专利商间的 战略伙伴关系，如新比隆压缩机生产厂商与e x x o n 专利商间关系较为密切，e x x o n 专利工厂使用的超高压压缩机几乎都是由新比隆提供的，新比隆压缩机在e x x o n 专利 工厂具有较大优势。 ( 4 ) 日益注重科技开发，特别是在压缩机振动方面的研究。在国内使用新比隆和苏 尔寿压缩机的装置都存在或多或少有关振动方面的问题，两厂家都有专门的科研机构进 行振动方面研究，进行声学分析和振动分析，防振问题是超高压压缩机今后研究的关键 课题之一。 ( 5 ) 加大对机组状态监测的力度。如对轴瓦温度、柱塞振动、吸排气阀的检测等， 以确保机组的安稳运转。 1 1 4当前情况 当前燕山石化化工一厂高压装置在用的超高压压缩机是日立制造( 苏尔寿技术) 的 f 8 型压缩机，二高压装置在用的超高压压缩机是新比隆制造的p k l 2 2 型压缩机，参数 如表1 4 所示。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表1 4 超高压压缩机参数 t a b 1 4 p a r a m e t e r so fh y p c r - c o m p r e s s o r s k 81 2 p k 2 序号参数 一级二级一级二级 1制造商日立新比隆 2 转速( r r a i n ) 2 0 02 1 4 3 电机功率( k w ) 6 4 0 01 6 5 0 0 4 吸入压力( m p a ) 2 51 0 72 8 61 7 4 2 5 吸入温度( ) 4 04 03 02 0 6 排出压力( m p a ) 1 1 02 6 01 7 9 63 1 0 7 排出温度( ) 9 08 01 0 25 2 8 打气量( t h ) 3 8 18 5 9气缸数( 个) 44 66 1 0缸径( n u n ) 8 88 01 0 08 8 5 目前，我厂在用超高压压缩机的填料盘主要还是依赖进口，虽然陆续进行了国产化， 由于对填料盘的制造工艺和技术并没有完全掌握，虽然有部分填料盘能够满足机组运转 的需要，但综合国产化填料盘的质量并不稳定，多次出现填料盘失效的现象。典型的失 效现象主要是填料盘在注油孔和注油槽处发生断裂，分别如图1 7 和图1 8 所示。 从失效零部件的外观来看，缺陷的类型主要是断裂。作为超高压压缩机零部件，其 材料机械性能、热处理、表面处理等设计、制造技术条件和要求具有一定的特殊性。本 课题主要是通过对工况条件下填料盘所受应力进行分析计算，了解零部件的受力特征、 应力分布规律及其影响因素，并结合断口、金相、材料性能等分析、测试工作，从应力 状态、材料质量、加工质量三方面查找零件开裂原因，提出相应的改进措施，通过实际 应用中的经验积累不断对其国产化工作进行完善和提升。 超高爪往复式，缩机填科盘火教原冈分析 幽l7 注油孔处断裂火效填料黼 f i g 17t h e t h l i e d b o x w h i c h h a sd i s c o n t i n u i t ya t t h eo i l f i l l e dh o l e 圈18 注油楠处断裂失效填料盘 f i g i8 t h e f a i l e d b o x w h i c h h a sd i s c o n t i n u i t ya t t h eo i l i n gg r o o v e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 课题研究的意义 1 2 。1 超高压压缩机填料盘消耗量大 我厂共有4 台超高压压缩机，其中日本日立公司制造的f 8 型超高压压缩机3 台， 意大利新比隆公司制造的p k l 2 2 型超高压压缩机1 台。f 8 型压缩机每台有4 个一段气 缸和4 个二段气缸，共8 个缸；p k l 2 2 型压缩机有6 个一段气缸和6 个二段气缸，共 1 2 个缸，共计有3 6 个超高压气缸。 每个气缸包括至少7 件填料盘，这样四台超高压压缩机共计有2 5 0 件填料盘之多。 由于填料盘失效和反复修复后尺寸超差等原因，据不完全统计，每年消耗的填料盘大约 在4 0 件左右，填料盘消耗量还是相当大的【引。 1 2 ，2 压缩机填料盘失效后的影响 压缩机填料盘一旦出现裂纹缺陷，就会导致系统内的超高压乙烯气体向冷却油系统 或外界泄露。由于冷却油系统的设计压力为1 m p a ，当大量的超高压乙烯气体瞬间泄露 到该系统，就会导致系统局部超压，甚至出现失效爆炸的现象。当超高压乙烯气体之间 泄露到外界时，大量的乙烯气体会瞬间充斥整个压缩厂房，极易发生爆鸣甚至爆炸事故。 同时由于每台机组正常运转时在用的填料盘个数比较多，其中任何一个发生失效都 会造成机组停机，不但会影响到装置的开工率，频繁的开停车甚至会导致其它次生事故 的发生。 1 2 3 经验和措施 超高压压缩机气缸部分使用的超高压零部件在制造工艺方面很多工序都是相同的， 在提高备件强度、硬度等性能以避免失效等方面采取的措施也是类似的，那么在改进国 产化填料盘方面采取的方法和措施在改进其它超高压零部件，比如组合阀、气缸和组合 阀室等，也能得以应用【9 1 。 1 3 论文的结构安排与主要工作 本文仅从f - 8 型超高压压缩机二级气缸使用的一种典型填料盘进行说明和论证。 1 3 1 论文的任务及目标 ( 1 ) 本课题主要是通过对失效填料盘从受力特征、断口形貌、机械性能等方面进行 失效原因分析，查找失效原因。 ( 2 ) 针对失效原因，提出相应的改进措施，通过实际应用中的经验积累不断对国产 化超高压零部件加工工艺进行完善和提升。 超高压往复式压缩机填料盘失效原冈分析 1 3 2 内容及章节安排 本文的主要研究内容和章节结构简要说明如下： 第一章：绪论，简要介绍超高压压缩机及其气缸结构，陈述本课题提出的背景和意 义。 第二章：介绍了超高压填料盘的结构、材料及其性能和制造工艺，并着重介绍了填 料盘的失效形式和失效原因。 第三章：对具体失效填料盘的预应力进行测定，并和理论计算的采用应力的大小和 分布情况进行比较，判断内外环的配合过盈量偏小，并通过实际解体和测量进行验证。 第四章：通过对失效填料盘从断口宏观形貌、微观形貌、金相组织和机械性能等方 面进行分析，确认材料的机械性能符合要求，但材料夹杂比较严重，会诱发疲劳断裂。 第五章：对工况条件下填料盘的受力情况进行分析，进一步验证如果材料各项指标 符合标准要求，配合过盈量合适，填料盘不会出现断裂失效。 第六章：结合填料盘的制造工艺，提出了具体的改进措施，并从设计方面进行优化。 最后：总结全文，得出结论。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 超高压填料盘失效形式及原因分析 超高压压缩机气缸与填料盘之间的密封采用金属与金属直接接触密封，其密封面为 平面，表面采用研摩处理，确保密封可靠。柱塞的动密封采用铜舍金制成的三六瓣填料 环密封，三六瓣填料环安装在填料盘的腔中。由于填料盘所受的压力较火，填料盘往往 做得较大、较厚，像一个盘子。填料盘和气缸由大螺栓联结起来，螺栓的紧固力不仅作 为填料盘和气缸密封面的密封压力，同时也起到刚性支撑的作用【1 0 - 1 2 。 疆鹣 脚2 1 填料盘实物图 f i g2i p h y s i c a l m a po fs t u f f i n g b o x 填料盘是压缩机气缸的重要部件，承受复杂的交变应力，工作条件苛刻，材料性能 要求高，结构复杂，加工精度高。其主要作用是存放超高压压缩机的密封即三瓣环和六 瓣环，同时由于填料环和柱塞之间有往复运动，填料盘内还开有润滑油i l ，注入润滑油 进行润滑；为了带走填料环和柱塞因往复运动而产生的摩擦热，在填料盘的外部还设置 了冷却系统进行冷却，避免填料、柱塞的温度升高。 如图l3 和图1 4 所示，超高压压缩机气缸主要是由热压缸套、填料盘组和柱塞组 成通过柱塞的往复运动将介质在热压缸套内压缩到工艺条件所需要的压力，在填料盘 组内装有自紧式填料，实现气缸内超高压介质的动密封。 21 结构 典型填料盘的结构如图21 所示，是由内外两个同心的圆环热套而成。同时由于密 封超高压乙烯气的自紧式填料需要润滑油润滑，如图14 所示的1 l u b e 点，所以在不同 超高压往复式压缩机填料盘火教原圆分析 位簧的填料盘上开有不同数量的润滑油注入孔，同时在注油点所在的填料盘上还 有注 油槽，图2 2 为有两个注油孔和一个注油槽的典型填料盘。 。 、 慰簖：1 i i 嚣。医罡璺醢兰至划i 至篮 22 材料 罔22 扎刊填料盘结构简l 刳 f i g 2 2 d i a g r a mo f s t a l l i n g b o x ss t r l l e t u t _ e 填料盘的材质为美国材质a i s l 4 3 4 0 ，并经过真空电弧冶炼。 根据文献杏得该材料的化学成分如表21 所不，物料性能如表2 2 所示，各种热处 理条件下的机械性能如表23 所示。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表2 14 3 4 0 材料化学成分参考值 t a b 2 i t h er e f e r e n c ev a l u eo f m a t e r i a lc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 化学 成分 碳c 硅s i锰 磷p硫s 铬c r 镍n i 钼l d o 含量 0 3 8 - 0 4 30 1 5 - 0 3 00 6 0 一0 8 00 0 3 50 0 40 7 0 0 9 01 6 5 - 2 0 0 o 2 0 0 3 0 ( ) 表2 24 3 4 0 材料物理性能参考值 t a b 2 2t h er e f e r e n c ev a l u eo f m a t e r i a lp h y s i c a lp r o p e r t i e s 密度( 1 0 0 0k g m 3 ) 7 7 0 - 8 0 3 物理性能 ( 2 5 ) 泊松比o 2 7 0 3 0 弹性模量( g p a ) 1 9 0 - 2 1 0 表2 34 3 4 0 材料机械性能参考值 t a b 2 3t h er e f e r e n c ev a l u eo fm a t e r i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t y 温度屈服强度拉伸强度延长率 断面收缩率硬度冲击功 热处理条件 m p am p al i b j 8 1 0 退火 2 54 7 2 37 4 4 62 2 o4 9 9 2 1 75 1 1 8 7 0 正火2 58 6 1 81 2 7 9 01 2 2 3 6 3 | 油淬火细晶粒 回火2 0 5 2 5 1 6 7 5 01 8 7 5 01 0 o3 8 0 f 油淬火细晶粒 2 51 5 8 6 01 7 2 4 01 0 o4 4 o| 回火3 1 5 油淬火细晶粒 2 51 3 6 5 01 4 6 9 01 0 o 4 4 0 回火4 2 5 油淬火细晶粒 2 51 0 7 6 01 1 7 2 。01 3 05 1 0| 回火5 4 0 油淬火细晶粒 2 58 5 5 09 6 5 01 9 06 0 0 回火6 5 0 一1 5 超高压 t 复式压缩机填料盘失效原冈分析 23 制造工艺 失效填料盘的结构图如图22 所示，该填料盘没有注油孔，但有注油槽 幽23 旺油槽处断裂，、教填抖盘结构简削 f i g2 3d i a g a a mo f t h e f a i l e ds t u f f i n g b o x s r l l l c i r r e w h i c h h a sd i s c o n t i n u i t y a t t h eo i l i n g g r o o v e 填料盘内外环都是锻件，锻造比大于3 ，粗) j n - 工= 后1 0 0 超声渡探伤检测，且不允许 有超过中3 m m 当量卣径的单个缺陷。 对台格零部件进行调质处理，8 6 0 淬火，时间为5 - 6 小时，油岭；6 3 0 回火，时 问为67 小时。 精车外环并将内孔磨至q b l 9 5 ：嘶，精车内环并将外圃磨至中1 9 5 m + 0 。9 q 0 3 ，将外环用电炉 加热至5 0 0 = c 与内环热装。车两端面，钻铰30 37 嚣”孔后，两端面砂研。 1 0 0 磁粉探伤检测不允许有裂纹、白点、气孔和折迭等缺陷。 渗硫后，再通过乎磨和研磨达到精度和光洁度要求。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 4 失效形式及原因分析 超高压压缩机是生产乙烯的核心关键设备，超高压压缩机的正常工作是保证整个生 产环节连续进行的必要条件。然而在超高压压缩机中，填料盘是设备重要且易损的部件。 填料盘是压缩机气缸的重要部件，承受复杂的交变应力，工作条件苛刻，因此填料盘不 可避免地经常性损坏【1 3 - 1 4 】。填料盘的失效会对整个生产流程乃至工作人员带来不必要的 伤害。因此，分析填料盘的失效及其原因，有利于在生产过程中有效的防止由于填料盘 的顺坏而带来的不必要损失。 乙烯高压装置在运行过程中，填料盘表面经常出现过度磨损，有时甚至产生裂纹， 这是一种异常现象，不仅造成填料盘等压缩机部件的报废，而且对压缩机安全运行造成 威胁。在正常工作时，由于填料环的节流作用造成相邻两块填料盘承受不同的径向压力， 产生不同的应变。因而在压缩机运行时，压力每次升降都将造成两填料盘接触面的一次 滑移，久之会产生磨损。由于填料盘的径向变形量很小，相邻两填料盘之间的滑移量只 有几十微米，所以这种磨损属于微动磨损。 微动是二接触表面极小振幅( 微米量级) 的相对运动，通常发生在一个振动环境中 的近似紧配合的接触表面。微动可以造成接触表面摩擦磨损，引起构件咬合、松动或形 成污染源等，也可以加速裂纹的萌生、扩展，从而使构件的疲劳寿命大大降低。微动在 许多工业重要部门已成为一些配合零部件失效的主要原因之一。 微动通常可分为微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) 、微动疲劳( f r e t t i n gf a t i g u e ) 、微动腐 蚀( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) ，下面分别从这三个方面对填料盘进行失效分析。 2 4 1 微动磨损 微动磨损是指接触表面的相对运动是由一接触体承受外界交变疲劳应力引起变形 而产生的微动。微动磨损常发生在名义上静止但相互间有相对滑动的摩擦副上。各种连 接件，包括各种螺栓、铆钉、销连接和搭接都可能产生微动损伤。各种紧固结构和夹持 机构，也可能产生微动损伤。在各类机械故障中，有许多是由微动磨损疲劳造成的。由 于在一段时间里它不被人们所认识，因而没有有效的预防措施。据国外统计，在因磨损 造成的各类机械失效中，微动磨损失效约占1 0 ，因此每年造成很大的经济损失。 微动可加速裂纹的起源和早期扩展，从而引起构件疲劳寿命显著下降。有微动发生 的构件疲劳强度为无微动发生时的1 0 - - 6 0 ，微动磨损是构件潜在的危险源之一，有 9 0 构件的破坏是发生在微动处。 超高压往复式压缩机填料盘失效原因分析 填料盘磨损产生区域位于填料盘的内侧，磨损区域表面金属磨损剥落后呈小凹坑， 但凹坑较浅，磨损表面有少量细小微粒。磨损的区域产生在填料盘内侧靠近内径处s 7 m m ，而填料盘密封面的其它区域则完好，无磨损痕迹。 在压缩机正常工作中，相邻两块填料盘之间由于承受不同的径向压力，径向变形量 不同，因而在压缩机运行时，压力每次升降都将造成两填料盘接触面的一次相对滑动和 磨擦，久之就产生了磨损。在正常工作情况下，压缩机填料盘的表面会产生一定的磨损。 这是因为在工作过程中因填料的端面密封作用各填料盘所受的内压力是不同的【”】。 填料盘在内压作用下，相邻两个填料盘由于受到压力不同，产生的应变也不同。当 压缩机吸气时，靠近气缸的左填料盘受到的压力大于右填料盘受到的压力，左填料盘的 变形大于右填料盘的变形，产生的变形如图2 4 中实线所示；当压缩机排气时，气缸压 力升高，填料盘的受到内压也加大，相邻二填料盘产生的变形进一步加大，但由于内压 升幅不同，二填料盘的变形仍然是不同的，左填料盘的位移幅度大于右填料盘的位移幅 度，二填料盘的变形如图2 4 中虚线所示。因而填料盘之间产生了相对滑动，由于压缩 机是不断地进行吸气和排气，气缸内的压力是周期性升降的，所以相邻二填料盘表面在 压缩机工作时不断在进行着滑动和摩擦。 r 卜 l 一- pf 卜 卜 l 几 ! h h ：_ 一1 图2 4 填料盘变形受压示意图 f i g 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e f o r m e dc o m p r e s s i o no ft h es t u f f i n gb o x 填料盘磨损类型的确定：由于填料盘的厚度很大，在内压作用下的应变也很小，所 以填料盘相互之间的滑动量是很小的。填料盘滑动量取决于二填料盘的应变差，将填料 大连理工大学专业学位硕士学位论文 盘简化为一厚壁圆筒，设左填料盘的应变为u 1 ，右填料盘的应变为u 2 ，则填料盘在内 压作用下在半径，处的应变为 材= 考 一y ( 吒+ q ) ( 2 1 ) e 为弹性模量，取e = 2 0 0 g p a ；u 为泊桑比，钢的o = 0 2 5 - - 4 9 3 ，取为o 2 5 。式中为 填料盘的周向应力、仃，为填料盘的轴向应力、仃，为填料盘的径向应力，其中 q = 唔芋一群 眨2 ) = 唔芋+ 辨 眨3 ) 计算中填料盘所受的外压被约掉了，这说明二相邻填料盘的相对滑动是与外压无 关，即与填料盘热套后的自增强无关，只与气缸压力的变化幅度即填料盘所受内压的变 化幅度和二填料盘的压差有关，而轴向应力盯也在计算中被约掉了，说明滑动位移幅度 与仃无关。当压缩机工况确定时，填料盘位移的幅度也随之确定。由于填料盘的实际外 形较为复杂，所以在计算中作了一定简化，将填料盘作为一个厚壁圆筒考虑。