杨建刚，罗定全，李 勤

（中国石油西南油气田分公司川西北气矿江油采气作业区，四川江油621709）

天然气压缩机调速器调节螺杆断裂分析

杨建刚，罗定全，李 勤

（中国石油西南油气田分公司川西北气矿江油采气作业区，四川江油621709）

针对一起Woodward TG-13调速器调节螺杆断裂事件，利用Solidworks Simulation软件对调节螺杆进行有限元分析，解决了实际生产问题；为往复式天燃气压缩机组，在油气田开发中，提供可靠的保障；也为Woodward TG-13调速器的使用、维护和保养，提供了科学的理论依据。

Woodward TG-13调速器；调节螺杆；螺杆断裂；有限元分析；ZTY燃气压缩机

1 引言

本文所涉及的调速器，是由美国WOODWARD（伍德沃德）生产的Woodward TG-13调速器 （以下简称调速器）。此调速器安装于ZTY440整体式天然气压缩机上，用于调整压缩机的转速；而调速器中的调节螺杆（以下简称螺杆）是调速的关键部件，通过旋转螺杆达到控制压缩机转速的目的。分析时，采用常规分析和有限元分析法，分析结果和实际情况基本吻合；因此，通过对调速器螺杆断裂原因做深入分析，我们可以采取诸多有效的防护措施，延长调速器的使用周期，保证和稳定机组的安全运行。

2 调速器结构及工作原理

Woodward TG-13是一种机械-液压转速有差调速器，用于不需要同步即恒转运行场合中的机器控制；最大输出轴行程为40°，空载到满载的推荐行程为2/3的调速器满行程；内部结构简单，维护保养方便。

2.1 调速器机构组成

①油泵；②蓄能器；③调速弹簧；④飞锤和导向阀套组件；⑤导向滑阀；⑥伺服活塞；⑦不等率调整机构；⑧转速调整机构；⑨输出杠杆与轴。

2.2 工作原理

调速器是由卧轴上的圆柱斜齿轮驱动，调速器油泵的内齿轮用键与调速器驱动轴和导向阀套连接。机组运行时，油泵从油箱中吸油并通过壳体中的油路，将油泵入各个用油点。油泵出口的另一路油通入弹簧加载的蓄能器中。当压缩机在某个转速下运行时，导向滑阀处于其中间位置，遮盖着导向阀套的控制油口；在这个位置，伺服活塞既不排油也不进油，调速器的输出轴不动作。当转速发生变化，离心力使飞锤向外或向内移动，根据转速的增加或下降，带动导向滑阀向上或向下运动；滑阀的移动使控制油口打开，使油回入油箱或通入伺服活塞底部。活塞带动输出轴组件，改变进动力缸的燃气量，从而改变机组转速，最终使转速恒定在设定值。

3 常规分析法

3.1 受力分析

调速器螺杆长90 mm，直径4.83 mm，螺纹采用美制ANSI BI.1 UNF 10#（3/16＂），采用普通合金钢材料。材料属性值如下：弹性模量2.1×1011N/m2，泊松比0.28，抗剪模量 7.9×1010N/m2，屈服强度6.204×108N/m2；如图1所示，螺杆所受3个作用力分别为：螺杆受顺时针扭力1.5×10-3N·m，轴销对螺杆向上的作用力10 N，垂直向上的弹簧力2 N；调速器在工作过程中，螺杆所受到的是变载荷作用力，各取其最大作用力分析。

图1

螺杆应力计算：

（1）螺杆螺纹部分受压应力

（2）螺杆螺纹部分剪应力

（3）加扭矩值后螺杆剪应力

螺杆强度计算

螺杆变载荷校核计算

式中 Mx——扭矩值（N·m）

τ——螺杆剪应力总和（N/m2）

WP——扭转截面模量

IP——横截面的极惯性矩

F0——轴向载荷（N）

φ——螺纹升角 {φ=arctanα，α=螺纹导程÷（螺纹中径×3.14）}

ρv——螺旋副当量摩擦角：ρv=arctanfv

fv——螺旋副当量摩擦系数，fv=0.17

d1——螺纹小径（mm）

d2——螺纹中径（mm）

σ——螺杆安全系数：n=[σ]/σ1

[σ]——螺杆的极限许用应力， [σ]=σ1/n（n安全系数取1.25）

[σa]——螺杆许用应力幅：25×106N/m2

静力计算结果：

（a）根据公式（1）（2）、（3）、（4）、（5）计算，加扭力螺杆所受应力强度为：1.211×106N/m2；

(b)根据公式（1）、（2）、（4）、（5）计算，不加扭力螺杆所受应力强度为：1.06×106N/m2；

（c）根据公式（6）计算螺杆所受应力幅为0.09×106N/m2。

结果显示螺杆所受应力强度值，远小于材料屈服强度6.204×108N/m2，不足以导致螺杆断裂。

3.2 断口分析

金属零件断裂后，在断裂表面上遗留下金属在断裂前的塑性变形和断裂过程中的各种信息，同时也在某种程度上记录了材料从冶炼、加工、使用、一直到断裂性能之间的联系。断口分析包括宏观和微观分析。我们这里采用宏观分析法，宏观分析的任务主要是初步判定断口特征、形貌及可能的断裂原因，尤其重要的是找出裂纹源的位置。

如图2所示，疲劳核心区是裂纹最初形成的地方，它一般总是位于零件表面有应力集中或存在表面缺陷的位置，断裂源位于平滑区疲劳前沿线曲率半径最小处。裂源位置一般有以下几种：①材料表面；②材料次表面；③材料内部，夹渣、气孔等地方；④应力集中于尖角、油孔、凹槽及划痕等处，疲劳裂纹扩展区断口平滑，颜色较深（与瞬时断口相比），常常具有海滩状或贝壳纹标志。这种标志是由于设备停车、启动或改变负荷等原因造成。贝纹线从裂纹源开始，向四周扩展，与裂纹扩展方向垂直。扩展区域在断面中间部分，呈现贝壳纹向外扩展致断裂区域；调速器在长期运行中，螺杆受到拉压作用力的轴向疲劳而断裂。

图2

3.3 疲劳分析

疲劳寿命是指机械结构直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处，最弱及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。螺杆疲劳失效的因素：

（1）不考虑扭力的情况下，螺杆所受到的应力强度为1.06×106N/m2，远小于材料屈服强度；但螺杆长期在交变应力下工作，虽然最大工作应力低于屈服极限，也会发生突然断裂；

（2）交变应力作用下的疲劳损坏，需要经过一定数量的应力循环；通过现场测试，输出轴在稳定载荷下的波动周期约120次/min，和螺杆受到的交变载荷周期相同。

（3）此调速器使用时间长达10年，螺杆在破坏前没有明显的塑性变形预兆；即使韧性很好的材料，也可能会出现脆性断裂。

4 基于Solidworks Simulation的有限元分析法

4.1 Solidworks Simulation介绍

Solidworks Simulation是一款基于有限元（既FEA数值）技术的设计分析软件，FEA也称为有限单元法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是用简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。用有限元法不仅能提高计算精度，而且能适用各种复杂形状，因而称为行之有效的工程分析手段。

4.2 分析步骤

（1）先对调速器内部主要零件进行建模，再对装配体做运动分析，根据图2确定螺杆受力情况。

（2）选取螺杆进行有限元分析，对不参与分析的零件采取压缩处理；从图3可以看出，装配体零件网格化后的效果；网格划分过程有以下3步：①评估几何模型；②处理边界；③创建网格。由于螺杆是本次分析重点，在网格划分中单独采取网格控制方法，利用更小的单元尺寸网格，对其进行重新划分。使分析结果更加准确可信。

图3

（3）确定约束和载荷：由于疲劳分析不考虑人为调节螺杆产生的扭力，所以只分析轴销对螺杆向上的作用力10 N和垂直向上的弹簧力2 N。根据作用力和反作用力大小相等原则，使轴销约束为固定，螺杆所受反作用力加在轴销上。上盖约束为固定；上盖和螺杆采取轴销连接方式，螺杆和轴销采取螺纹连接方式。

（4）解算器选择：一般而言，FFEPlus在处理自由度（DOF）超过100000时，速度比较快。该解算器随着问题的变大变得更有效率。Direct Sparse解算器，在计算机可用内存足够多时速度较快。因为在模型中使用的材料弹性模量差异很大时（比如钢和尼龙），迭代求解将比直接求解精度低，这种情况使用Direct Sparse解算器。由于装配体网格划分后，超过38万个自由体，所以选择FFEPlus解算器求解。

图4

4.3 分析结果

（1）应力分析结果：由于现场操作人员，主要通过调节螺帽带动螺杆旋转，实现对调速器速度的调整；顺时针旋转螺杆是增加转速，反之降速。由于顺时针旋转时，螺杆所受载荷较大；所以，分析时采取顺时针加载荷的方法。除此以外，螺杆还受垂直向上变载荷的作用力；为简化分析，只考虑周期变化中较大的作用力。

图5

在图4的A点和B点之间螺纹小径内，从下至上均匀选点；所探测应力值的结果，分布曲线如图5所示，显示应力主要集中在A点和B点之间，且呈现两头高，中间低的马鞍状。断裂B点处所受应力为2.6×106N/m2，在最大应力点附近，且应力强度值远小于普通合金钢材料的屈服强度。根据应力分析结果，判断不是应力过大造成的螺杆断裂。

（2）疲劳分析结果：螺杆的断口上，有明显的光滑区域与颗粒区域。目前，疲劳分析的方法主要有3种：名义应力法、局部应力应变法和损伤容限法。名义应力法主要用于对弹性变形居主导地位的高周疲劳，局部应力应变法主要用于对塑性变形居主导地位的低周疲劳。SolidWorks Simulation软件对于单个零件疲劳分析是基于名义应力法的，其分析过程首先根据载荷谱，确定零件危险部位的应力谱;而后采用材料的S-N曲线，经过计算结构危险部位的应力集中系数，结合材料的疲劳极限图，通过插值将材料的S-N曲线转化为零件的S-N曲线;最后再由载荷谱确定的应力谱根据Miner线性损伤累积规则计算零件的寿命。这里疲劳S-N曲线插值选择对对数，材料弹性模量派生选择ASME奥氏体钢曲线。通过疲劳分析结果（图6）显示，螺杆疲劳损坏，主要集中在靠近A点和B点的螺纹小径上，在趋近A点和B点处损坏百分比越高。

图6

5 结论

通过对断裂的调节螺杆进行有限元和常规计算分析，得出以下结论：

（1）调节螺杆在长期受到变载荷作用下，出现金属疲劳而断裂。

（2）图4显示，调节螺杆所受应力强度值，主要分布在1.0×106N/m2附近，和常规静力分析的结果1.06×106N/m2相比非常接近；说明常规计算和有限元分析结果基本吻合。

（3）为预防调节螺杆疲劳断裂，需要根据Woodward TG-13调速器手册的要求，按时进行维护保养；在调速器累计工作6000～7000 h后，应对其进行检测，如有损坏应立即进行更换。

通过上述措施的实施后，压缩机更换新润滑油，重新引丙烯原始开车，开机后运行正常，制冷温度达到-35℃，运行1年多，效果很好。

3 结语

聚乙烯22W480制冷系统是一个有机整体，当整个系统平衡时，是一个动态平衡，任何一处出现问题，都会打破整体平衡，造成故障。处理该系统故障需要全面考虑，在处理某处故障时，同时调整其他地方的运行参数，才可以解决问题。通过对22W480系统故障的处理，使车间彻底搞清了这台压缩机的运行机理，保证了聚合生产的平稳运行。

[1]Woodward TG-13调速器使用手册.

[2]陆毅中.工程断裂力学[M].西安：西安交通大学出版社，1987，03.

[3]成大先.机械设计手册第二卷[M].北京：化工工业出版社，2012.

作者简介：杨建刚（1976-），男，四川绵竹人，高级技工。E-mail: yjg4509@163.com

Analysis of Adjusting Screw Fracture in Natural Gas Compressor Speed Governor

YANG Jian-gang，LUO Ding-quan，LI Qin
（Northwest Sichuan Gasfield Gas Production Operations Area，China National Petroleum Corporation Southwest Oil and Gas Field Company，Jiangyou 621709，China）

According to the fracture accident of Woodward TG-13 adjusting screw，the finite element analysis is carried out on the adjusting screw with Solidworks Simulation software and the problem of practical production is solved.It provides a reliable guarantee for reciprocating gas compressor unit developing in oil-gas field，as well scientific theory basis for the using and maintenance of Woodward TG-13 speed governor.

Woodward TG-13 speed governor；adjusting screw；fracture；finite element analysis；ZTY gas compressor

TH455；O242.21

B

1006-2971（2014）01-0057-05

郭磊（1977-），男，新疆伊宁人，工程师，2005年毕业于中南大学机械电子专业，现在中石油独山子石化公司乙烯厂聚乙烯车间从事设备管理工作。E-mail：guolei@petrochina.com.cn

2013-08-13