往复压缩机螺栓断裂与疲劳寿命分析

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212 螺栓力学性能分析
( 1) 图 2为采用数值计算法和近似计算法 描
绘了螺纹连接结构牙根的应力分布, 表达式为:
Ry (x, 0)
=
a21 R ktQ x +
a1
+
( k1 - a1 ) R
当 x = 0 时, Ry ( 0, 0) = kt R, 可见牙根处应 力
峰值 Rmax = kt R, , 应力集中系数 kt 取决于螺纹 牙 形, 有的螺栓 kt 高达 7~ 8。由此可见螺纹连接件
的断裂主要起源于牙齿的根部, 这与现场实际 情
况相符合。
材料发生塑性屈服, 在交变载荷作用下, 产生疲劳 裂纹, 继而引发断裂。如图 4所示, 从力学分析的 角度看, 螺纹连接的第一圈是螺纹 连接疲劳断裂 的根源所在。
图 4 螺栓牙根应力
图 2 沿径向应力分 布
( 2) 螺纹牙上存在载荷分布不均匀现象。螺 栓在工作状态下所受总拉力一般都是通过螺纹牙 面相接触来传递的。连接件受载时, 螺栓受拉, 外 螺纹螺距变大; 螺母受压, 内螺纹螺距变小。螺纹 螺距变化差以旋合的第一圈处为最 大, 以后各 圈 递减。据相关实验证明约有 1 /3载荷集中在第一 圈上 (从近一年来螺栓的断裂截面情况看, 断裂位 置大多发生在螺栓螺纹第一圈处 ) , 前三牙承担了 全部载荷的 70% , 第八圈以后牙齿几乎不承受载 荷, 如图 3所示。
力分析简图, A 点为 曲轴箱与中体 法兰连接部位 (固支结构 ), B 点可看作简支结构。
则由于支反力 N 1 的作用在 A 点产生的弯矩
M 为:
M
=
N
1a
-
N
1
a2
(
3L 2L 2
a)N1
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n 石油化工安全技术 n
2006年第 22卷第 6期
图 6 中体受力分析
在 弯矩 M 的 作用 下, 螺栓 受 力分 布 如图 7 所示。
关键词: 螺栓; 断裂; 应力; 预紧力; 疲劳寿命
1 往复式压缩机 GB102简介
随着石化工业水 平的发展, 先进的加氢工 艺 被广泛的应用, 而往复式压缩机 以其高效的特 点 成为成套加氢设备的重要组成部分。压缩机缸体 及盖端的螺栓是保证压缩机正常运行的重要零件 之一。螺栓连接的失效将会造成重大的经济损失 甚至人身伤亡事故。
由图 8可以看出: 预紧力小则螺栓寿命短; 预 紧力大则寿命长。当预紧力 Rp = 16212 MP a时, 为螺栓峰值寿命区。因此对螺栓预紧力适当提高 至 Rp = 16212 M Pa附近, 可延长螺栓使用寿命。
图 9 螺栓连接件变形分析
另外, 由螺栓连接件变形分析图 ( 图 9) 可以看 出, 对于同一工作载荷 F, 对于较小的预紧力 Rp 1 < Rp2则有应力变化幅值 $R1 > $R2, 预紧力越小, 则 应力变化幅值越大, 寿命越短; 对于较大的预紧力 Rp3 < Rp 4, 此时应力波动 $R3 = $R4。由于影响疲 劳寿命主要因素为 $R, 因此其寿命偏差较小。又 由于 $R3 = $R4 < $R2 < $R1, 所以高预紧力 ( Rp3, Rp4 ) 情况下的螺栓寿命要长于低预紧力 ( Rp 1, Rp 2 ) 情况下的螺栓寿命。
4 预紧力对螺栓疲劳寿命的影响 [ 2]
曲轴箱体、中体 法兰、螺 栓联 接结 构在 工作 载荷加栽 (开机前 )前给螺栓施加的预紧应力为 Rp = 13618 M Pa。虽然 螺 纹 紧 固 件 是 普 通 的 零 件, 但形状复 杂, 螺旋副 的接 触和润 滑状态 更是 难于预测和控制, 由于螺纹几何参数、表面质量、 润滑状态等的可变性, 导致了预紧力的离散性, 即每个螺栓 所受的 预紧力 是不 一样 的。图 8为 在不同的预紧力下, 螺栓预紧力与寿命的关系 曲线。
等级
故障检测难易程度
评分 ( C)
1 需用专门测试仪器进行精密诊断或离线试验
3~ 4
2 需用通用设备进行进行简易诊断或在线试验
2
3 由人的感官感知
1
表 5 危险性等级分数分级 ( D)
故障等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
分数值 1~ 5 6 ~ 20
21 ~ 25 26 ~ 40
维修方式 事后维修 状态维修 定期维修 改进维修
但是 FM EA 的实施是一 个持续改进的 过程, 在对某一个故障类型采取相应的纠正预防措施以 后, 需要重新评价 故障的发生频 率、严重性、可检 测性指标, 计算新的危险优先数, 看新的危险优先 数是否在可接受的 范围类, 并决定是 否采取进一 步的纠正预防措施, 如此循环直到危 险优先数在 可接受的范围内。
5 延长螺栓疲劳寿命的措施 [ 3]
( 1)保证螺栓工作环境不要太湿, 杜绝螺栓长 时间在湿环境中。
( 2)在安装螺栓的时候, 一定要严格按照螺栓 的紧固顺序, 把各个螺栓紧固到位, 保证应有的预 紧力。根据预紧力施加要 求, 可以 大到螺栓材料 屈服强度的 50 % 以上, 根据螺栓预紧力与寿命的 关系曲线, 当预紧力达到 16212 M Pa时 (预紧力矩 达到 1 960 N# m 以上 ), 寿命可达到最大值。
图 3 螺纹牙轴向载荷分布不均匀
( 3) 由于螺栓杆上轴向力分布的不均匀性, 第 一个工作圈牙根以及一些特殊部位牙根凹槽处所 受的过载载荷往往超过其材料的弹 性极限, 该 处
3 螺栓受力分析
压缩机在工作中, 由于曲柄转角 A的不断变 化, 十字头滑块承受的综合活塞力 E P1、滑板对滑 块的支反力 N 1、连杆力 P t1呈周期性变化, 使得中 体联接螺栓承受着交变载荷的作用。图 5 为一段 缸侧总体构造受力示意。
931 46% H2, 31 75% CH 4
451 536 91 63 151 82 60 120 138 11 660
该机组自 1995年 2月起, 曲轴箱体与中体连 接螺栓多次发生疲劳断裂事故, 平均每 2~ 3 个月
就会出现一次螺栓 断裂, 该机组螺 栓的频繁断裂 严重 制 约 着 装 置 的 高 负 荷 生 产 ( GB102A /B 自 1997年装置扩能改造后改为双机运行 ) , 每次检修 需 4天, 直接经济损失 60多万元, 并且生产介质氢 气易燃 易爆。一 旦由 于螺 栓断 裂而 导致机 器损 坏、气缸泄漏, 将可能引发 燃烧爆炸事故, 是安全 生产的极大隐患。 2 螺栓断裂原因分析 211 螺栓断口截面分析 [ 1]
( 上接第 24页 ) 螺栓材料会出现循环松弛, 引起螺栓伸长, 预紧力下降。
( 4) 降低机组振动。由于机组振动, 易引起联 接螺栓疲劳, 缩短 螺栓寿命。因 此应稳定工艺 操 作, 减小机组振动, 可有效提高螺栓寿命。
( 5) 提高螺栓材料的疲劳性能。 ( 6) 保证螺栓的材料, 改善加工和制造工艺。
设备管理是建立 在管理预防 /状态 性维护基 础之上的, 准确的数据存储与计算 工作是预测性 维护的前提。根据数据资料持续改进设备的各项 指标, 从技术角度上将这些数据互 相有效的集成 到设备维护管理系统中去。
2结 语
FMEA 在设备维护管理中是一种非常有效的 工具。它是在对系统中固有的或潜在的可能性与 后果进行科学分析的基础上, 给出风险排序, 找出 薄弱环节。通过对设 备进行 FMEA 分析 时, 可系 统的了解设备的设 计制造缺陷、构 造功能和潜在 的故障模式。可帮助 企业管理者评估 设备更新、 审查设计、失效 分析、员工 培训计划, 制定和实施 合理的设备维修管理方案, 提高设备的本质安全, 从而避免设备的无计划停运。
图 8 预紧力 - 寿命关系曲线 (Rp - N )
图 7 螺栓受力分析
作用在 0- 0两侧的螺栓上的合力, 对 0- 0形 成一个力矩, 该力矩应与外加的倾覆力矩 M 平衡, 根据螺栓各位置有 Fmax = M sin6R75b。
以上分析表明支反力形成的弯矩对螺栓受力 载荷具有一定的影响, 由图 7( b) 可以看出在中体 联接的下部 ( 当活塞反向运动时, 在上部 ) 螺栓 承 受着最大拉力 Fmax, 在往复交变载荷作用下, 该部 位螺栓发生疲劳断裂的可能性非常大。
GB - 102A /B 中 体 连 接 螺 栓 材 质 为 25C r2M oV, 规格为 M 48 @ 300, 数量 12颗。现场螺 栓的断裂一般发生在连接部位的上、下端, 断口多 发生在螺栓 第一牙根处。从螺栓的断口 看出: 断 口基本是正断的, 断面平坦; 面对曲轴箱 观察, 启 裂点位于左方稍偏 下, 裂纹为自左 下向正右方扩 展。螺栓断口截面如图 1。
图 1 螺栓断口截面图
收稿日期: 2006- 03- 19 作者简介: 姜红超 ( 1978- )男, 技 术员。 现在 中国 石化 扬 子石化股份公司 芳烃 厂加 氢裂 化装 置从 事装 置的 设备 管 理工作。电话: 025- 57782243
2006年第 22卷第 6期
n 姜红超. 往复压缩机螺栓断裂与疲劳寿命分析 n
从故障模式及影响分析数据 统计来看, 潜在 故障模式分为七类, 故障产生的原因 29项, 其中采 用预防维修 25 项 ( 定 期 维修 2 项, 状 态 维修 22 项 ) , 事后维修 3项, 改进维修 2 项。通过以上数 据分析可看出现行的设备管理模式: 监测为先、预 防为主, 主动维护、及时检修的预防性维修策略基 本符合生产需求。
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事故预防
n 石油 化工安全技术 n PETROCHEM ICAL SAFETY TECHNOLOGY
2006年第 22卷第 6期
往复压缩机螺栓断裂与疲劳寿命分析
姜红 超
(中国石 化扬子石油化工股份有限公司芳烃厂, 江苏 南京 210048)
摘 要: 通过对氢气压缩机中体连接螺栓的应力分析, 指出螺栓断裂原因, 进而 对螺栓的疲劳寿 命进行分析, 探讨 了预紧力等因 素对疲劳寿命的影响, 并提出延长螺栓疲劳寿命的措施。
表 2 故障发生频率分类 ( L )
等级
1 2 3 4 5
故障发生程度
很高: 经常发生, 每周都可能发生 高: 经常发生, 每月都发生
中: 偶尔发生, 每季度可能发生 低: 很少发生, 每年可能发生 很低: 几乎不可能发生
评分 ( L ) 4- 5 3- 4 2- 3 1 01 5
表 3 故障严重度分析 ( E )
( 3) 在压缩机运行过程中, 由于螺栓材质 25C r2M oV 钢存在循环软化现象, 在疲劳载荷作用下,
(下转第 44页 )
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n 石油化工安全技术 n
2006年第 22卷第 6期
关于故 障发生 频率 ( 表 2)、故障 严重度 ( 表 3) 、故障可检测难易程度 ( 表 4) 、故障等级 ( 表 5) 的判别准则分别如下:
型号 级数
一级
2H25B38S 二级
气体成分
排气量 ( Km 3 / h, 标准 ) 吸气压力 /M Pa 排气压力 /M Pa 吸气温度 /e 排气温度 /e 活塞质量 /kg 压缩比
转速 / ( r# m in- 1 ) 功率 / kW
93146% H 2, 31 75% CH 4
451 536 51 29 91 74 40 100 305 11 825 426 2 379
图 5 一段缸侧受力示意
滑板对滑块的支反力
N 1 = E P1
Ks inA 1- K2 ( sinA) 2
式中, 径长比 K =
r l
=
25 0 1175
=
012 128
综合活塞力 E P 1 为活塞杆所受 气体力 $P 1、 往复运动摩擦力 R s1及往复惯性力 I1 之和。
将一段缸侧受力图简化为图 6所示的中体受
GB10 2补 充氢 气压 缩 机是 芳 烃 厂加 氢 裂 化 装 置的关键设备, 其安全运行直接 影响整个加氢 裂 化装置。 GB102为德 国 KSB 公司 1980 年制造, 1989年 9月安装投用, 为两缸二级双作用对动型, 主要性能参数如表 1。
表 1 G B- 102A /B 氢气压缩机技术参数
故障严 等级
重程度 1 设备事故
评分
( E) 9~ 10 不可修复
修复情况
2 严重故障 6~ 8 不能立即修复且修复ห้องสมุดไป่ตู้间较长
3 中等故障 4~ 5 可修复但需一点时间且利用停机可修复
4 轻微故障 2~ 3 通过改变设备运行方式或利用停机可修复
5 设备异常 [ 2 通过改变设备运行方式可修复
表 4 故障可检测难易程度分类 ( C)