壓縮機(jī)活塞桿斷裂分析及技術(shù)改造

吳冬果 閆永兵 宋文戈

(山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

某化肥生產(chǎn)企業(yè)的合成氨系統(tǒng)完成氨醇優(yōu)化改造后，在試生產(chǎn)階段多次發(fā)生了壓縮機(jī)活塞桿斷裂事故，不僅威脅到工作人員的生命安全，也給企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。其中，1#壓縮機(jī)在發(fā)生第一次斷裂后的第14天發(fā)生了第二次斷裂，2#壓縮機(jī)在發(fā)生第一次斷裂后的第35天發(fā)生了第二次斷裂。筆者針對連續(xù)幾次斷裂具有的共同特征，從活塞桿材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織及機(jī)械加工等方面分析其斷裂原因，并提出改進(jìn)措施。

1 活塞桿斷裂原因分析

1.1 化學(xué)成分與機(jī)械性能分析

壓縮機(jī)作為一種過程流體機(jī)械[1]，大多應(yīng)用于石化、冶金及煤化工等工業(yè)領(lǐng)域中[2]。壓縮機(jī)根據(jù)氣體的可壓縮性，通過活塞在汽缸中的往復(fù)運動，利用氣閥的單項開啟性，來完成壓縮氣體的膨脹、吸入、壓縮和排出4個階段，以達(dá)到提高氣體壓力的目的[3]。經(jīng)觀察壓縮機(jī)活塞桿斷裂部位(圖1)在活塞桿與十字頭連接軸臺階處，并從近軸臺階處螺紋底徑起始。

圖1 活塞桿斷裂部位示意圖

1#壓縮機(jī)一段活塞桿材料為38CrMoAl，2#壓縮機(jī)二段活塞桿材料為42CrMo，其標(biāo)準(zhǔn)與實測化學(xué)成分見表1，機(jī)械性能見表2。

從表1、2可看出：活塞桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求；38CrMoAl的實測抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均小于標(biāo)準(zhǔn)值，說明其強(qiáng)度不足；沖擊功揭示材料的變脆傾向，兩種材料的沖擊功KV2遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，說明其脆性高，沖擊韌性低。壓縮機(jī)的活塞桿在工作過程中主要承受較大的交變拉、壓應(yīng)力和較小的彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，按照設(shè)計要求，采用適合38CrMoAl和42CrMo的熱處理工藝對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使其沖擊功達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，提高材料韌性，保證活塞桿在正常工況條件下不會斷裂。

表1 活塞桿材料化學(xué)成分對比 %

表2 活塞桿材料機(jī)械性能對比

注：實測數(shù)據(jù)為3個試樣的值。

1.2 金相組織分析

對斷裂的活塞桿取樣并進(jìn)行金相檢測。試樣材料38CrMoAl的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)+表面滲氮，金相組織分析結(jié)果為回火貝氏體+回火索氏體；試樣材料42CrMo的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)+高頻淬火，金相組織分析結(jié)果為回火索氏體呈帶狀分布。

回火索氏體中的碳化物分散度較大并呈球狀，具有良好的綜合機(jī)械性能，因此調(diào)質(zhì)后的活塞桿金相組織應(yīng)為細(xì)小、均勻的回火索氏體，這是要求對材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)的原因。調(diào)質(zhì)后的金相組織均勻程度越好，斷面應(yīng)力分布越均勻，避免了應(yīng)力集中。

38CrMoAl中的貝氏體是因淬火后冷卻不好(比如冷卻太慢)形成的，且在后續(xù)回火過程中沒有完全被消除?；鼗饻囟鹊目刂浦苯佑绊戜摰臎_擊韌性。

42CrMo帶狀組織是由淬火加熱溫度偏低導(dǎo)致金相組織不均勻，致使回火索氏體呈帶狀分布形成的。由于鋼在結(jié)晶過程中容易沿散熱方向出現(xiàn)柱狀晶，同時會發(fā)生嚴(yán)重的枝晶偏析，造成合金成分在微觀上的不均勻性。若熱處理工藝不當(dāng)，在調(diào)質(zhì)過程中會“遺傳”這種分布狀態(tài)，形成帶狀組織。

金相組織分析結(jié)果說明制造活塞桿鍛件的金相組織不符合要求，沒有嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行熱處理，基體組織未能形成均勻回火索氏體。熱處理不當(dāng)，晶間網(wǎng)狀碳化物的形成和夾雜物的偏聚，降低了晶間結(jié)合力和材料的沖擊韌性，使疲勞斷裂出現(xiàn)沿晶和穿晶混合斷口，增大了活塞桿的脆性斷裂傾向。

1.3 機(jī)械加工存在的問題

從活塞桿斷裂部位可看出，活塞桿端部的螺紋加工制造存在比較嚴(yán)重的質(zhì)量問題，螺紋加工粗糙，螺紋牙根部出現(xiàn)較明顯的車削溝痕，螺紋根部的應(yīng)力集中反映在斷裂截面上。對于承受沖擊載荷的活塞桿，加工時應(yīng)嚴(yán)格控制尖銳性結(jié)構(gòu)的存在，所有結(jié)構(gòu)的過渡必須采用圓滑過渡，而且必須消除構(gòu)件的制造應(yīng)力。

1.4 安裝精度不高

活塞桿安裝時因精度不高造成與十字頭之間的縫隙過大，表3為滑道與十字頭間隙的實測平均值與設(shè)計值。為了消除過大的間隙，按規(guī)定需采用螺母進(jìn)行調(diào)整，但此處是加墊片進(jìn)行調(diào)整，致使活塞桿螺紋承受過大的預(yù)緊力；反向的十字頭中心位置安裝不準(zhǔn)確，引起十字頭跳動量過大，給活塞桿施加了一個附加彎曲應(yīng)力，降低了活塞桿螺紋處的安全應(yīng)力幅系數(shù)，促使了塞桿延應(yīng)力集中截面斷裂。

表3 滑道與十字頭間隙 mm

2 改進(jìn)預(yù)防措施

經(jīng)分析活塞桿材料仍可采用38CrMoAl、42CrMo，但要求制造廠家一定要嚴(yán)格按照熱處理工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理后必須進(jìn)行力學(xué)性能檢測，保證綜合機(jī)械性能。為提高活塞桿表面的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能，38CrMoAl進(jìn)行表面氮化處理，使其硬度不小于700HBW，42CrMo做淬火處理，使其硬度為480～560HBW。承受交變載荷的重要構(gòu)件必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

活塞桿端部螺紋擠壓加工(滾制螺紋)，螺紋精度要求保證二級。擠壓螺紋由于螺紋底徑圓角符合規(guī)定，避免了應(yīng)力集中，明顯提高了活塞桿的抗沖擊載荷、剪應(yīng)力和彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的能力，延長其使用壽命。

嚴(yán)格按照圖紙要求進(jìn)行安裝，采取有效措施，防止碰傷活塞桿。安裝活塞桿螺帽前，必須徹底清洗活塞桿和螺帽螺紋，并涂抹螺栓防咬合劑。在維修中確保活塞桿與十字頭連接處的預(yù)緊力和活塞桿中心與十字頭中心的對中精度。

在使用過程中，應(yīng)制定活塞桿定期檢測制度：檢查時應(yīng)打開活塞，利用超聲波檢測活塞桿內(nèi)部有無缺陷，使用著色探傷檢查活塞桿表面有無微裂紋；重點檢查螺紋部位有無損傷；在檢修時要分清十字頭滑板的受力側(cè)與非受力側(cè)，正確調(diào)整十字頭中心高；一般一年對螺紋處進(jìn)行一次磁粉探傷，3年更換一根活塞桿。

3 結(jié)束語

針對壓縮機(jī)活塞桿連續(xù)幾次斷裂具有的共同特征，從活塞桿材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織及機(jī)械加工等方面分析其斷裂原因，并提出有效的改進(jìn)措施。改造后的活塞桿運行時間均超過18個月，證明了斷裂原因分析是正確的，技術(shù)改造是成功的。

[1] 裘潯雋，楊瑜文.離心壓縮機(jī)系統(tǒng)控制規(guī)律的分析[J].化工自動化及儀表，2011,38(11):1346～1347,1363.

[2] 伍凌，易瑩杰，徐杰.國產(chǎn)DCS中富氣壓縮機(jī)防喘振控制方案的實施[J].化工自動化及儀表，2011，38(5)：624～625,635.

[3] 毛彥君，張濤.S7-300在化肥行業(yè)M85-206C CO2壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2010，37(1)：92～95.