二氧化碳压缩机低压缸二段出风筒开裂案例分析

赵铮，王利勇

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

1 压缩机设计参数

该二氧化碳机组设计为低、高压缸，采用汽轮机拖动,低、高压缸间使用齿轮箱变速，各缸间采用膜片联轴器，使用公共底座。低压缸二段6 级，高压缸二段5 级，介质气为二氧化碳含量98.8%，其余微量氮气、一氧化碳、氢气、甲醇，工作转速：5480rpm（低压缸）、11084rpm（高压缸）。

2 压缩机风筒开裂情况

（1）低压缸二段出风筒弯头处出现裂纹。初始裂纹长度约150mm，停机前裂纹扩大约210mm（图1）。

（2）低压缸二段出风筒法兰及配对法兰断开后，存在不对中有应力的情况(图2)。

（3）二段出风筒后管路弹簧支架，1#弹簧支架载荷过大，位移量在极限，2#弹簧支架载荷支撑柱偏移（图3）。

（4）该机组频发喘振问题。通过控制系统历史趋势查询，机组多次发生喘振问题。

3 排查方向

根据现场收集、反馈资料，分析问题原因前从以下方面排查。

3.1 排查是否材质存在缺陷或焊接存在质量问题

复查二段出风筒出厂检查记录（包括：材料、生产加工、水压气密试验等），符合API、国标、风标等相关标准规定，根据纪录显示，出厂为合格产品，不是造成风筒裂纹的原因。

3.2 排查设计结构、风筒应力及强度、管口最大力及力矩等是否存在问题

（1）风筒设计结构经过复核，满足设计规范及使用要求。同设计结构产品，在其他用户现场使用，风筒未发生裂纹问题。该设计结构产品，经过相关检查合格出厂，在正常使用过程中，不会发生问题。

图1

图2

图3

（2）复查风筒应力及强度满足要求，根据三维建模分析，最大应力部位在“天圆地方与下机壳焊接处”，而此处部位没有发生裂纹问题。反之，说明风筒该设计结构下、按照此焊接工艺，正常使用情况下是不会发生开裂问题。

（3）重新核算管口最大力及力矩满足要求，与原设计数据基本一致。

（4）风筒结构由法兰、弯板、筋板、弯头组成，其中弯头为外购件，形式为整体件或拼焊件均符合标准，经过消应力等检查工序合格后进行端面焊接等工作。经过着色、探伤、水压等检查合格。且经过力学报告，应力、强度均满足要求。

（5）设备工厂标准FB44077 中，允许弯头采用钢板压成两个半圆的焊接方式，且由焊接评定及工艺方案。

4 原因分析

4.1 异常振动及外力“拉拽”，造成风筒出现裂纹

根据现场检查，风筒法兰处存在应力，管道弹簧支架存在问题，直接反应情况是，风筒法兰处，反压缩机方向有非垂直向下的力。根据现场反馈，机组存在频发喘振的现象，导致风筒在外力“拉拽”下且疲劳使用，易造成风筒开裂问题。

4.2 风筒处存在“十字焊缝”，应力集中，易造成风筒开裂

从表面上看，裂纹位置为二段出风筒靠近弯头立筋端部位置，并以立筋端部为中心向两端延伸。在清理裂纹的过程当中发现，立筋端部位置的裂纹最深，两侧延伸的裂纹深度不断减小，可断定裂纹源应该为立筋端部位置。立筋端部在焊接后容易产生应力集中，并且立筋端部距离弯头纵向焊缝较近一定程度上增加了产生应力集中的概率。压力容器标准中明确规定:(1)承压部件不允许存在“十字焊缝”；(2)十字焊缝的纵向或横向焊缝间距≥100mm，即允许T 型焊缝。

4.3 风筒筋板焊缝与弯板纵缝重叠的说明（十字焊缝）

（1）焊壳的风筒在设计加工过程中，出于对弯板压型加工过程中可行性的考虑，设计成两侧对称的结构，便于对板材压型施工，由于后期环缝的存在，不可避免地会造成在焊接过程中出现十字交叉焊缝。

（2）风筒对接纵缝、环缝，在焊接后按照工厂标准FB05006 要求均进行100%X 射线探伤检查和着色探伤检查，符合ASME 第VIII 卷规定要求，能够确保焊缝的内部以及外部外观质量要求。

（3）风筒筋板焊缝是在风筒完成100%X 射线与着色检查后再进行拼装焊接，在此期间包括工件转运、X 射线检查等工序，历时周期约7 ～10 天，对接纵缝与环缝起到了自然时效的效果。

（4）焊壳焊接完成后，会进热处理炉消应力处理，保证焊接过程中产生的应力得到良好的释放。

（5）该结构型式的焊接机壳，厂家已有超过1000 套的业绩，均未发生类似问题。

综上所述，该筋板处的焊接应力集中问题不是造成本次弯头开裂的主要原因。

5 总结

从目前分析发生该问题主因：机组低压缸二段出风筒，可能由于安装原因，在风筒法兰处存在应力，配对法兰后续管路弹簧支架存在载荷过大及载荷支柱偏心，此状态下，对压缩机“风筒”而言，存在一个反方向非垂直向下的外力“拉拽”。另机组频发喘振问题，加大风筒处振动，二段出风筒在此工作状况下，弯头处发生开裂。

次因：风筒上“弯头”“天圆地方”“立筋”，组合焊接后存在“十字焊缝”。在标准上没有规定绝对不允许使用，但因存在应力集中现象，在“外力作用下”会加剧风筒开裂。

6 建议

（1）重新复核管路应力，确保风筒法兰处无应力连接，更改后的气管路满足标准要求。

（2）重新复核管路弹簧支架，选用满足使用要求的弹簧支架，确认合理的安装位置。

（3）由于机组频发喘振属于非正常现象，振动值迅速增加，二段出风筒在疲劳工作状态下易发生开裂，建议调整工艺流程，确保进入压缩机的气源接近设计条件。

（4）风筒上弯头建议更换为整体锻件的结构，避免与“天圆地方”“立筋”组合后存在十字焊缝，有造成应力集中的隐患。

（5）为了保证焊缝的焊接质量，防止出风筒焊后产生偏差，无法确保与配对风筒的密封连接，确保风筒焊接后的残余应力能得到充分释放及风筒进行水压及气密试验保证长期使用，建议下机壳返回原厂修复处理。