某 厂加氢裂化装置新氢压缩机（ K102S）一级气缸缸盖螺栓断裂故障原因分析

某 厂加氢裂化装置新氢压缩机（ K102S）一级气缸缸盖螺栓断裂故障原因分析

杨鑫 高玉强 马铭 卢宏伟 袭文

中国石油天然气股份有限公司抚顺石化公司 辽宁抚顺 113004

摘要：本文从工艺，腐蚀。操作等各方面分析了新氢压缩机一级气缸缸盖螺栓断裂故障的原因，并提出一些可行性建议。

关键词：加氢裂化装置；故障

一、装置背景介绍

装置2012年建成投产，同年8月6日产品全部合格，实现一次开汽成功。装置由反应部分（包括压缩机和低分气脱硫）、分馏部分（包括干气脱硫）及公用工程设施组成。其中低分气脱硫部分处理的含硫气体包括加氢裂化、柴油加氢精制两套装置的低分气；干气脱硫部分处理的含硫气体包括加氢裂化、柴油加氢精制两套装置的塔顶气。

二、加氢裂化装置新氢压缩机（K102S）一级气缸缸盖螺栓断裂原因分析

2.1、故障经过：

2019年10月27日上午6时55分，岗位人员巡检至压缩机厂房一层时发现厂房二层有气体泄漏的声音，到厂房二层经过确认是加氢裂化装置新氢压缩机（2203-K-102S）一级气缸缸盖处泄漏氢气，且发现端盖上一根螺栓螺母已断裂脱落。岗位员工立即向班长进行汇报，班长启动紧急预案，组织压缩机岗位人员停运新氢压缩机，将新氢压缩机进行放空置换。7:45厂房内可燃气体浓度合格后启动K102A，装置恢复正常生产。

2.2、原因分析：

1、工艺原因：压缩机一级排气压力波动，可能会导致一级气缸端盖受力变化，容易导致螺栓断裂。查询DCS操作趋势，泄漏发生前8小时内管网压力、压缩机各级操作压力均无波动，故可排除因工艺操作原因造成的泄漏。

2、腐蚀原因：经过光谱分析，一级缸盖螺栓材质为40CrMnMo，在富氢环境下易发生氢脆，造成应力集中，超过钢的强度极限，导致螺栓断裂。螺栓断裂之前该部位未发生泄漏，螺栓不与氢气直接接触，且经中科韦尔对断裂螺栓进行全面检测，一级缸盖螺栓未发生氢脆，故可排除氢腐蚀情况。

3、施工原因：2015年12月一级缸盖螺栓出现两根断裂以后，更换了两根由沈阳申元压缩机厂制作的螺栓，并将所有螺栓按照压缩机厂家技术人员建议的850牛·米的力矩值进行定力矩紧固。由于该台机组没有无级气量调节系统，耗电量每天多10000kW左右，所以该机平时处于备用状态，自2017年投用至2019年，该台机组切换8次，共运行48天。不排除当时其它螺栓已经存在微观损伤的可能，但由于该机组长期处于备用状态，损伤没有体现出来。

4、操作原因：压缩机运行期间如果一级活塞与一级气缸端盖发生碰撞（撞缸），会导致一级气缸螺栓受力，严重时出现螺栓断裂现象。机组停机后，对一级气缸止点间隙进行了测量：曲轴侧止点间隙为2.5mm（设计值为1.57mm）、端盖侧止点间隙为70mm（设计值为65.89mm）均在设计范围内，故可排除撞缸导致的螺栓断裂。同时检查缸内未出现磨损，且压缩机入口分液罐内无液，也可排除氢气带液的可能。

5、螺栓断裂的宏观、低倍分析：螺栓断口处没有明显地塑性变形，断口平坦呈瓷质状；断口上也未发生明显的腐蚀破坏（仅2#螺栓断口上有少量锈蚀，应该是该螺栓断裂后放置时间较长所致）；这些螺栓断裂都是从边缘（螺纹）处起始，因此，螺栓断口具有疲劳断裂的特征。

6、螺栓的材质分析：分别从2#、4#螺栓上切取块状样品，依据相关标准，使用光谱仪等，对螺栓材质进行化学分析。结果表明，2#、4#螺栓材质均为同一种中碳铬锰钼钢，其材质成分与国标中的40CrMnMo 钢标准成分相符。

7、螺栓的金相分析及硬度测试：2#、4#螺栓横向截面金相组织均匀，为回火索氏体[回火索式体是马氏体于高温回火（500-650℃）时形成的以铁素体为基体的复相组织。具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度，因此具有良好的综合力学性能。]。2#、4#螺栓横向截面的硬度值均匀，且两根螺栓的硬度也相近，为HV0.2328.5~334.8（或HRC35.0~35.5）。

8、螺栓断口的电镜分析：使用扫描电镜，分别对#、2#螺栓断口进行形貌观察和元素成分能谱分析。在#螺栓断口上，裂纹起源于螺纹螺牙的根部，断口上没有氧化及腐蚀产物存在；在螺栓断口的裂纹扩展区（靠近裂纹源），可见疲劳断裂而产生的“辉纹线”及二次裂纹，与裂纹扩展方向垂直；在#螺栓断口的裂纹扩展区（断口中心），仍可见疲劳断裂的“辉纹线”和二次裂纹；该处断口上仍然没有氧化及腐蚀产物存在，在#螺栓断口的瞬断区，可见大量的拉长变形韧窝存在。同样2#螺栓的断裂性质与#螺栓的断裂性质完全相同，该螺栓断裂也是由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区构成。通过扫描电镜分析表明，#、2#螺栓断裂性质为单纯的机械疲劳断裂。

9、螺栓的力学分析：对于主要受轴向载荷并承受拉应力的螺栓破坏位置的大量统计分析表明，螺栓发生破坏的位置主要有三处：①与螺母配合部分的第一螺牙的根部；②螺栓头与螺杆的过渡处；③螺纹与光杆部分的过渡区。而且与螺母配合部分的螺栓第一螺牙根部是承受拉应力最大的地方，该部位承受着整个轴向载荷的34%。因此，本次断裂的6根螺栓及2015年断裂的2根螺栓都断裂在与螺母配合的螺纹第一螺牙处。

2.3 结论：

螺栓的材质为中碳（Cr-Mn-Mo）低合金钢；其材质化学成分符合国标40CrMnMo钢的标准要求。螺栓的金相组织为回火索氏体； 其硬度为HV0.2328.5~334.8（相当于HRC35.0~35.5）。

直接原因：螺栓受到长期的拉伸交变载荷作用从而导致疲劳断裂。

间接原因：1、当新氢压缩机往复运动工作时，压缩机气缸内的气体脉动及机器振动对缸盖螺栓造成高频振动，使得气缸紧固螺栓受到循环的交变应力作用。由于在螺栓与螺母配合的螺栓第一螺牙处（即螺牙齿根）应力集中最为严重，容易产生疲劳微裂纹，一旦有疲劳裂纹产生，在交变应力的作用下，疲劳裂纹就会不断地扩展，最终导致整个螺栓断裂。当新氢压缩机气缸端盖上的20 根螺栓中有一根断裂后，与断裂螺栓相邻的其它螺栓所承受的载荷（静拉应力、交变应力等）就要增加，导致螺栓更易于发生疲劳断裂。如此恶性循环，就造成了多根螺栓在同一区域发生同样性质的疲劳断裂。

2、2015年一级气缸缸盖螺栓断裂后没有将全部螺栓更换成原厂螺栓，也未对其余未断裂的螺栓进行无损检测，本次断裂的6根螺栓其中有1根是2015年更换成沈阳申元压缩机厂制造的，其余5根均为德莱赛兰压缩机原厂螺栓、缸盖O圈为机组装配时的原厂配件。2015年12月出现2根螺栓断裂时其它螺栓已经出现微观损伤，或者更换的新螺栓强度等级不足导致其中某根螺栓首先断裂，进而造成应力不均匀，加上压缩机的脉冲应力，最终产生疲劳断裂。

3、缸盖螺栓材质、制造标准不满足压缩机使用工况，德莱赛兰厂家回复该螺栓材质为ASTM A193，Grade B7标准，其力学性能与制造标准还在等待美方试验后进一步答复。

4、机组开停机提速太快会导致螺栓由轻载突然提升至较大载荷，受到冲击；停机卸载后，螺栓处于相对松弛状态，与螺母配合不再紧密，导致偏载，再次运行时加快疲劳断裂的产生。

三、 对新氢压缩机一级气缸缸盖螺栓断裂故障开展的工作

1、加强检维修管理，与原厂家德莱赛兰确认机组易损件使用寿命，按时间节点更换机组易损件。安装螺栓时，严格按照相应的操作规程及厂家给定的力矩值进行定力矩紧固，保证各个螺栓的载荷均匀分布。

2、加强机组开停机操作管理，严格控制机组加载/卸载速度，避免负荷大幅波动。新氢压缩机作为装置的重点检查部位，每周组织班组对压缩机连接部位进行测漏，每半年对螺栓进行紧固检查；持续开展班组应急预案演练工作，在演练过程中根据实际情况查找不足，对预案进行逐步完善，同时进一步加强安技装备管理，确保报警联锁系统处于完好状态。

3、与德莱赛兰厂家研讨确认螺栓材质是否升级，要求德莱赛兰厂家明确螺栓材质及制造标准，并对螺栓断裂原因给出结论，德莱赛兰分析结果与上文中一致。