105-锦西石化分公司-新氢压缩机活塞杆断裂事故原因分析

2008丁大卫等·新氢压缩机活塞杆断裂事故原因分析663新氢压缩机活塞杆断裂事故原因分析丁大卫李高峰(中国石油锦西石化分公司辽宁葫芦岛125001)摘要：炼油装置大型机组运行、维护得好坏，是关系到整个炼油装置能否平稳生产的关键。本文通过对锦西石化柴油加氢改质装置采用的4M80-50/9.8-25-15/25-125BX型往复式新氢压缩机活塞杆断裂事故情况的介绍，并结合国内相关事故进行了分析，旨在初步探究原因，并给出了具体的解决办法和防范措施，以避免或杜绝类似的情况发生。关键词：加氢；往复压缩机；活塞杆；断裂；原因1引言压缩机是遍及石油化工、农业、交通运输、国防科学技术等领域的通用机械。特别是随着现代石油化工的迅猛发展，压缩机的应用数量不断提高，已成为石油化工生产必不可缺少的动力设备。由于往复活塞式压缩机具有节能高效的特点，因而其在加氢工艺流程中一直处于主导地位。但是往复活塞式压缩机存在一个明显的缺点，就是故障率高，维修、维护量大。据资料统计，我国部分石油化工厂的大型活塞压缩机发生事故占全部石油化工生产事故的51.5%。其中活塞杆断裂占重大事故的25%左右，此类事故在炼油加氢装置上也时有发生。由于加氢装置的往复式活塞压缩机多数用来补充新氢，输送的介质易燃易爆，一旦出现问题，很可能造成恶性事故的发生，需要引起我们的高度重视。2事故基本情况锦西石化分公司100万吨/年柴油加氢改质装置于2002年7月建成投产，设计高分压力为10.0MPa，采用加氢精制和加氢裂化一段串联、一次通过的工艺流程。装置设计有循环氢压缩机一台，新氢压缩机3台，都属于装置的关键设备，是重点维护的对象。2007年4月24日，装置加工量为125吨/小时，生产操作正常，产品质量控制稳定。12:30分，新氢往复压缩机K1102C一级活塞杆突然发生断裂，经过几秒钟的压力波动和声音异常后，活塞体撞破气缸盖，飞出缸外。大量泄漏氢气因冲击火花引发着火，装置采取紧急停工，切断原料，并通过ESD锁停该台压缩机。在消防队的掩护下，车间人员果断关闭了压缩机出入口阀门，并引入氮气进行吹扫，大火被及时扑灭，险情得以排除，未酿成其他诱发事故。事故调查组进行如下现场调查：（1）调出事故前该机DCS系统运行参数曲线，一、二、三级入口分液罐显示无液位，事故后对一、二、三级入口分液罐进行脱液未见液体，排除因机组带液引发事故的可能；（2）该机DCS系统运行参数曲线显示，一、二、三级入、出口压力均在正常范围内，没有出现异常波动，排除机组因憋压引发事故的可能；（3）事故发生时间为12:30，通过监控录像，在12:14分当班操作工巡检注油器注油正常，现场冷却水正常，电机电流正常，机组响声正常；（4）事故现场查看为一级活塞拉杆在距离十字头与活塞杆连接端面约120mm处断裂。综上分析，对于该机组的日常巡检和维护是到位的，事故发生的比较突然，没有任何征664加氢技术论文集2008兆。发生着火事故的导火索为活塞杆突然断裂，分析活塞杆断裂的原因成为调查事故原因和总结经验教训的关键工作。3压缩机相关情况3.1机组运行情况该机组为沈阳气体压缩机厂生产的4M80系列往复压缩机，用于100万吨/年柴油加氢改质装置作为新氢补充压缩机，共三台机组（工艺编号为K1102A、B、C），设计为两开一备，本文介绍的为其中的一台，工艺编号为K1102C，于2002年7月投入使用。截至事故发生时，该机组累计运行15529小时。该机组于2006年10月曾进行过大修，更换了主轴瓦、连杆大小头瓦、填料密封和一级活塞组件等配件，大修后截至事故发生累计运行时间为58天。3.2压缩机的主要技术参数4M80-50/9.8-25-15/25-125BX为沈阳气体压缩机厂生产的大型对称平衡型往复压缩机，同步电动机直联驱动，H型对称排列，外形尺寸为10980mm×9660mm×4930mm。该压缩机属于三级压缩，各级设有返回控制阀,可以控制各级出口压力。一级缸设计吸排气量为27500Nm3/h，在一级出口设计抽出7900Nm3/h的氢气到航煤精制系统，其余19600Nm3/h的氢气进入二级缸进行再压缩。主要性能参数见表1，活塞杆主要参数见表2。表1K1102C主要性能参数型号4M80-50/9.8-25-15/25-125BX型号4M80-50/9.8-25-15/25-125BX工作流量（体积）27500Nm3/h（一级）19600Nm3/h一级2.50电机型号TAW2800-20/2600二级6.30电机功率2800kW三级12.5轴功率2430kW吸气温度转速300r/min一级40压缩介质氢气、轻烃二级40吸入压力三级40一级0.98排出温度二级2.50一级125三级6.30二级130排出压力三级130表2活塞杆主要参数参数名称一级二级三级活塞力80t80t80t活塞直径630mm350mm235mm活塞杆直径130mm130mm130mm活塞杆长度2882mm2743mm3103mm活塞行程360mm360mm360mm活塞杆材质42CrMoE42CrMoE42CrMoE4活塞杆断裂原因的初步分析（1）因注油器注油效果不好，引发事故。根据现场的巡检情况该原因可以排除。（2）装配同心度不够或紧力不够，引发事故。根据该机组大修记录及大修后的运行情况记录，该原因基本可以排除。（3）此活塞杆是在机组正常运行过程中突然断裂，不是在加载过程中发生的，而断裂2008丁大卫等·新氢压缩机活塞杆断裂事故原因分析665也不是在活塞杆的最危险截面（预紧受力处或截面突变处），因此，可以排除超载引起事故的可能性。（4）经近5年的运行未发生异常情况，显然，活塞杆的材质不是断裂的直接原因。（5）排除以上几种可能原因后，常温下运行的活塞杆就只有因亚临界裂纹的扩展而导致灾难性破坏的可能了。根据活塞杆的制造工艺与运行条件结合断面的状态分析可能有以下两种情况：一是活塞杆在反复载荷作用下工作，断口平齐，很可能是疲劳断裂；二是氢脆和疲劳断裂的结合。（6）根据中国科学院金属研究所失效分析中心的报告显示：a断口附近的侧面用1:1的盐酸水溶液轻微侵蚀后，活塞杆的圆柱表面呈现多条周向裂纹，裂纹长度不等，由于表面未见因摩擦等变色的区域，说明该裂纹不是因为使用不良而产生的磨削裂纹。b对断口进行宏观分析，根据断口周围没有明显的变形和缩颈，说明活塞杆不是超载断裂，可能是疲劳断裂。对裂纹的扩展形貌分析：在产生疲劳裂纹之前已经有裂纹，结合表面淬硬层周向裂纹的形貌可知，该裂纹属于先天裂纹，非使用中产生的。c根据微观分析：可以看出存在的疲劳裂纹是在周期性载荷作用下逐步扩展的。d用直读光谱仪分析活塞的材质、做拉伸性能及冲击性能试验并对其硬度进行测试，结果显示：活塞杆材质42CrMo完全合格，其成分符合GB3077标准要求。活塞杆的心部组织抗拉强度达715MPa、屈服强度为510MPa、延伸率为22%、面缩为64%，活塞杆的力学性能指标表明其整体的综合机械性能较好。e根据低倍金相检验显示依据GB1979－2001标准评定：活塞杆的一般偏析为一级。活塞杆表面经过表面淬硬热处理，表面淬硬层的深度为2.0mm的淬硬层。高倍金相检验显示：表面淬硬层内有裂纹，裂纹平均深度为0.14mm，裂纹两侧未见脱碳现象，说明裂纹不是活塞杆在热处理加热时产生的。依据GB6394-2001标准评定，淬硬层的晶粒度为7级，金相组织为马氏体，心部金相组织为铁素体＋回火索氏体。断口外观见下图。图1断口外观666加氢技术论文集20085结论（1）活塞杆表面存在的周向裂纹是诱发产生疲劳断裂的原因。（2）裂纹源在交变应力作用下缓慢扩展，最后发生疲劳断裂。6消除事故措施（1）合理充分利用先进技术管理和监测机组运行状态，力争及早发现隐患，避免事故发生。（2）定期对机组进行检查与大修，特别是易损件的定期检查，以确保机组安全运行。活塞杆、连杆等应定期检测，使用超声波检测其内部有无缺陷，用着色探伤检查其表面有无细微裂纹。（3）安装检修时，要采取有效措施，防止碰伤活塞杆。（4）因氢气压缩机是在腐蚀环境中运行的，氢的作用是不可避免的。因此，为防止活塞杆断裂，必须优先考虑采用材料优质和设计合理的机组。（5）强化细化设备档案的管理制度，对每台设备建立其对应的病历卡，便于对比总结。（6）加强备品备件的管理，要求做到备件进库和使用必须进行质量检测验收。（7）在建造厂房和扩建工程时要优先考虑防爆防火设施。参考文献[1]刘相臣,张秉淑编著.化工装备事故分析与预防.化学工业出版社出版,2003[2]活塞压缩机编写组.活塞压缩机设计.机械工业出版社,1974[3]赵兴仁编.活塞压缩机安装调试与检修.四川人民出版社,1982[4]金德浩,刘建晖,申涛编著.加氢裂化装置技术问答.中国石化出版社,2006