制氫加氫聯(lián)合裝置氫氣壓縮機(jī)連桿斷裂故障分析

吳文偉湯毓紅 王金紅

（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司)

制氫加氫聯(lián)合裝置氫氣壓縮機(jī)連桿斷裂故障分析

吳文偉*湯毓紅 王金紅

（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司)

通過(guò)對(duì)某制氫加氫聯(lián)合裝置氫氣壓縮機(jī)機(jī)組連桿等失效部件的斷口分析，查明機(jī)組發(fā)生連桿斷裂重大故障的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

往復(fù)式壓縮機(jī) 活塞 鎖緊螺母 斷口 裂紋 疲勞斷裂

上海高橋石化煉油五部制氫加氫聯(lián)合裝置氫氣壓縮機(jī)K1601（設(shè)備位號(hào)，下同）機(jī)組，2008年5月投用，運(yùn)行至2010年6月11日時(shí)發(fā)生了故障，一級(jí)活塞桿活塞鎖緊螺母斷裂脫落，引起機(jī)組十字頭銷子拉緊螺栓斷裂、一級(jí)連桿斷裂和曲軸箱縱向穿透裂紋等重大事故，所幸處理及時(shí)，未造成人員傷亡及影響生產(chǎn)。為防止此類故障再次發(fā)生，有必要對(duì)各損壞部件進(jìn)行分析，以判斷故障原因，制定預(yù)防措施。

1 故障現(xiàn)象及機(jī)組介紹

1.1 機(jī)組參數(shù)

機(jī)組型號(hào)為DW-38.7/(4-21)-X往復(fù)式壓縮機(jī)組，機(jī)組的制造廠為無(wú)錫壓縮機(jī)股份有限公司。

機(jī)組的有關(guān)參數(shù)為：一級(jí)進(jìn)口壓力0.4 MPa；一級(jí)出口壓力0.95 MPa；二級(jí)進(jìn)口壓力0.91 MPa；二級(jí)出口壓力2.11 MPa；流量(入口狀態(tài))38.7 m3/min；額定功率675 kW；電機(jī)功率800 kW；同步轉(zhuǎn)速370 r/min。

1．2 故障現(xiàn)象

氫壓機(jī)K1601機(jī)組由無(wú)錫壓縮機(jī)股份有限公司于2007年制造，2008年5月投用，運(yùn)行至2010年6月11日10∶10左右，制氫加氫聯(lián)合裝置操作工巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油進(jìn)油總管壓力表處有潤(rùn)滑油漏出，于是立即進(jìn)行處理。10∶15技術(shù)人員趕到現(xiàn)場(chǎng)，看到K1601機(jī)組潤(rùn)滑油還在外漏，因此立即安排切換機(jī)組（停K1601，開(kāi)K2101A）。正當(dāng)操作人員緊急改換流程準(zhǔn)備切換到K2101A時(shí)，突然發(fā)生一聲響，K1601曲軸箱兩呼吸閥被彈出，同時(shí)機(jī)組也停止了運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在10∶26∶43時(shí)K1601機(jī)組因潤(rùn)滑油總管壓力低低聯(lián)鎖停機(jī)。而后，在10∶26∶47操作人員將K2101A啟動(dòng)投用。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)發(fā)生如下故障情況：一級(jí)十字頭銷彈出、一級(jí)十字頭體卡死、十字頭銷子拉緊螺栓斷裂、曲軸箱縱向有穿透裂紋、一級(jí)連桿斷裂、二級(jí)中體裂紋、一級(jí)活塞桿活塞鎖緊螺母斷裂，斷裂后的一級(jí)活塞鎖緊螺母在缸體內(nèi)受撞擊，造成一級(jí)缸蓋端面凹陷。部分損壞部件如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)損壞部件

1.3 故障初步分析

根據(jù)機(jī)組損壞情況，初步判斷故障起因：起先由于某種因素一級(jí)活塞桿活塞鎖緊螺母斷裂，斷裂后的一級(jí)活塞鎖緊螺母在缸體內(nèi)受撞擊，造成一級(jí)缸蓋端面凹陷，巨大的撞擊力傳遞至十字頭、連桿、機(jī)身，引起這些部位嚴(yán)重?fù)p壞［1］?；钊麠U及活塞鎖緊螺母是往復(fù)壓縮機(jī)上的重要部件，但不是易損件，因此問(wèn)題的關(guān)鍵是什么因素造成了一級(jí)活塞桿活塞鎖緊螺母斷裂。為此特委托材料研究所對(duì)各斷裂部件進(jìn)行斷口宏觀、微觀分析，以驗(yàn)證我們的判斷，找出斷裂的原因。

2 失效部件斷口材料分析

2.1 失效部件的宏觀觀察

2.1.1 銷子拉緊螺栓

由圖2可確認(rèn)，銷子拉緊螺栓的裂紋是從螺栓邊緣開(kāi)始的，是受某一外力作用產(chǎn)生瞬間過(guò)載而起裂的，但不是一次拉斷。開(kāi)裂后在約五十次的反復(fù)載荷作用下（有二次較明顯的停頓）最終導(dǎo)致斷裂。

2.1.2 一級(jí)連桿

由一級(jí)連桿斷口的宏觀形貌可見(jiàn)，斷口大部分已被沖擊損壞，從殘留的斷口上可以看到一級(jí)連桿經(jīng)過(guò)不少于三次的沖擊而斷裂，如圖3所示。第一次斷裂是從連桿的內(nèi)孔邊緣開(kāi)始的。

2.1.3 一級(jí)活塞桿活塞鎖緊螺母

從活塞鎖緊螺母斷口邊緣形貌圖可以確定，螺母斷裂是從中心孔沿徑向擴(kuò)展的，如圖4所示。

從活塞鎖緊螺母斷口宏觀形貌可見(jiàn)，斷口斷裂時(shí)間很長(zhǎng)，操作應(yīng)力很低（和材料強(qiáng)度相比），斷面存在大量低應(yīng)力疲勞痕跡。斷面是在徑向離外圓面3.5 mm處瞬時(shí)斷開(kāi)的，如圖5所示。

圖2 銷子拉緊螺栓的宏觀形貌

圖3 一級(jí)連桿宏觀形貌

圖4 活塞鎖緊螺母斷口邊緣形貌

圖5 活塞鎖緊螺母斷口宏觀形貌

2.2 各失效部件的化學(xué)成分和機(jī)械性能

各部件材料的化學(xué)成分如表1所示。

一級(jí)連桿化學(xué)成分符合GB 3077—1988標(biāo)準(zhǔn)要求值?；钊菽赴礃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該屬于42CrMo，但鉻含量超出上限。實(shí)際成分應(yīng)為42CrMoAl，Al含量達(dá)到0.96%（質(zhì)量），國(guó)標(biāo)（GB）中沒(méi)有該鋼種。

表1 各部件材料的化學(xué)成分(%)

各部件的硬度測(cè)定如表2所示。

連桿的機(jī)械性能測(cè)定如表3所示。

表2 各部件的硬度（洛氏硬度HRB）

表3 連桿的機(jī)械性能

2.3 金相分析

鎖緊螺母的夾雜物觀察如圖6所示。

圖6 鎖緊螺母的夾雜物觀察

由圖6（a）可以看到，材料中存在大量的氧化鋁夾雜，氧化鋁夾雜為3級(jí)；由圖6（b）還發(fā)現(xiàn)，材料中存在硫化錳夾雜，有些是復(fù)合夾雜物，其中硫化物夾雜為1級(jí)。

鎖緊螺母的金相檢測(cè)如圖7所示。由圖7(a)、(b)的金相分析可知，其材料組織為回火索氏體組織，說(shuō)明該螺母是經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的。此外，在金相組織的觀察中也可見(jiàn)到大量的夾雜物。

圖7 鎖緊螺母的金相觀察

2.4 掃描電鏡觀察

2.4.1 銷子拉緊螺栓

由圖8可見(jiàn)，銷子拉緊螺栓的斷口為受瞬間過(guò)載后再疲勞斷裂。

圖8 銷子拉緊螺栓斷口掃描電鏡形貌

2.4.2 一級(jí)連桿

由圖9可見(jiàn)，連桿所有斷口均為外力拉斷的韌窩狀斷口。

圖9 一級(jí)連桿斷口掃描電鏡形貌

2.4.3 活塞鎖緊螺母

活塞鎖緊螺母的掃描電鏡及能譜分析如圖10～圖12所示。由圖10～圖12可見(jiàn)，材料中存在很多的夾雜，并且在夾雜物周邊存在很多微小的裂紋。

圖10 活塞鎖緊螺母夾雜物處的形貌及能譜圖（一）

圖11 活塞鎖緊螺母夾雜物處的形貌及能譜圖（二）

圖12 活塞鎖緊螺母夾雜物處的形貌及能譜圖（三）

3 故障原因分析

從斷裂部件斷口形貌可判斷出，三個(gè)部件中活塞鎖緊螺母裂紋開(kāi)裂時(shí)間最長(zhǎng)。從鎖緊螺母實(shí)際斷口的宏觀形貌特征上可看到，鎖緊螺母的開(kāi)裂是從圓心處開(kāi)始的，沿徑向擴(kuò)展，一直擴(kuò)展至離外部螺紋邊緣約3.5 mm處后瞬間斷裂。從斷口形貌可認(rèn)為，鎖緊螺母的斷裂屬低應(yīng)力疲勞斷裂。因斷裂時(shí)間很久，斷口表面有些銹蝕。

該壓縮機(jī)的活塞已運(yùn)行了約二年半，若以兩年計(jì)（2008年5月～2010年6月），則運(yùn)行了3.89× 108次（轉(zhuǎn)速370 r/min），這個(gè)循環(huán)周次已超過(guò)了傳統(tǒng)疲勞周期的門檻周次了。所以按傳統(tǒng)理論來(lái)講，如果螺栓沒(méi)有缺陷，就不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。

按傳統(tǒng)理論認(rèn)為，該螺栓只有存在缺陷才有可能發(fā)生斷裂，即發(fā)生斷裂有以下幾種可能的情況：（1）斷裂部位的材料中有雜質(zhì)；（2）加工中螺紋根部殘留小刀痕；（3）熱處理時(shí)出現(xiàn)了微裂紋；（4）螺紋根部應(yīng)力集中部位在不對(duì)稱循環(huán)加載下發(fā)生損傷，形成了小裂紋。

根據(jù)前面的金相分析可知，螺母材料中存在著大量的夾雜物，特別是在螺母中心孔邊緣存在著多邊形的氧化鋁等夾雜物。從圖11和圖12中可看到，在夾雜物周邊存在多處微裂紋。因此，可以對(duì)有缺陷的情況進(jìn)行斷裂力學(xué)分析。

（1）受力分析

由于壓縮機(jī)是在循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行的，因此它不但承受著因曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)而引起的拉伸和壓縮的作用，同時(shí)還承受著活塞組件重量引發(fā)的慣性力的作用。運(yùn)動(dòng)時(shí)不但線速度較快，而且還存在著由動(dòng)載荷產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。正常工作時(shí)活塞鎖緊螺母所受外力有氣體壓力F1、活塞環(huán)與氣缸間摩擦力F2和往復(fù)慣性力F3，活塞鎖緊螺母上總作用力為F=F1+F2+F3。隨著活塞的排氣和吸氣，螺母上會(huì)產(chǎn)生交變載荷，即當(dāng)活塞鎖緊螺母受拉時(shí)，螺母預(yù)緊力下降。在非對(duì)稱交變載荷工況下，會(huì)產(chǎn)生最大軸向拉應(yīng)力和最小軸向拉應(yīng)力，其變形和受力周期對(duì)應(yīng)疲勞載荷而變化，如圖13所示。

根據(jù)表面加工系數(shù)、有效應(yīng)力集中系數(shù)、平均應(yīng)力影響系數(shù)、螺母強(qiáng)度等參數(shù)，可計(jì)算出對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度。在正常工作條件下，若無(wú)材質(zhì)缺陷或其它原因，且設(shè)計(jì)人員按照相應(yīng)的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，活塞螺母是不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂的。

（2）存在缺陷情況下的斷裂力學(xué)計(jì)算分析

圖13 活塞鎖緊螺母交變載荷

根據(jù)活塞鎖緊螺母斷口的金相分析可知，其微裂紋是從夾雜物處開(kāi)始的，這就是一個(gè)裂紋存在條件下的脆性斷裂力學(xué)問(wèn)題。另外，對(duì)于螺母材料整體淬火后，采用不同的回火溫度進(jìn)行回火時(shí)，將得到不同的許用應(yīng)力強(qiáng)度因子。若材料在熱處理時(shí)采用較低的溫度回火，且材料缺陷達(dá)到了一定的程度，發(fā)生斷裂的可能性是存在的。

經(jīng)測(cè)量，活塞鎖緊螺母規(guī)格為M70，材質(zhì)為42CrMo。根據(jù)疲勞操作累積理論，不同損傷量所對(duì)應(yīng)的估算壽命可由式（1）進(jìn)行反推［2］，因此其對(duì)應(yīng)的最小損傷量達(dá)0.2 mm時(shí)發(fā)生斷裂的疲勞循環(huán)為3.89×108次。

式中N0i——不同歷程與不同損傷量D0i所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；

D0i——所對(duì)應(yīng)的損傷量；

D0——初始損傷值；

Dmac——宏觀裂紋尺寸所對(duì)應(yīng)的損傷量；

σm——平均應(yīng)力值；

Δσ——螺紋根部局部區(qū)域在脈動(dòng)循環(huán)加載下的應(yīng)力范圍值；

m1——指數(shù)，m1=-1/b，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；

σ′f——疲勞強(qiáng)度系數(shù)。

由于螺母的斷面已經(jīng)被破壞，其是否存在0.2 mm的缺陷不得而知。但存在缺陷是可以肯定的。

（3）分析結(jié)論

由于在螺母斷裂位置存在著較大的局部應(yīng)力，因此使得該區(qū)域最先形成初始裂紋。當(dāng)該初始裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK接近或達(dá)到其門檻值ΔKth時(shí)，疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，直至斷裂。

隨著國(guó)內(nèi)外疲勞試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，40Cr被認(rèn)為不存在無(wú)限疲勞壽命。在低應(yīng)力超長(zhǎng)壽命范圍內(nèi)，40Cr材料仍會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。眾多的研究認(rèn)為，在傳統(tǒng)意義的107周次以下的疲勞范圍內(nèi)，缺口應(yīng)力集中對(duì)疲勞性能的影響程度隨疲勞斷裂周次的增加而增強(qiáng)，表現(xiàn)為疲勞缺口系數(shù)隨疲勞斷裂周次的增加而增大，而在107周次以上超高周疲勞范圍內(nèi)，缺口應(yīng)力集中對(duì)疲勞性能的影響程度并非如常規(guī)疲勞結(jié)果推論的那樣進(jìn)一步加大，而是呈下降趨勢(shì)。缺口應(yīng)力集中對(duì)鋼疲勞性能影響呈現(xiàn)階段性的特征。這與疲勞裂紋萌生機(jī)理發(fā)生變化有關(guān)。由于在108以上超長(zhǎng)壽命區(qū)，疲勞裂紋在試樣內(nèi)部夾雜處萌生，因此缺口引起的表面應(yīng)力集中對(duì)疲勞裂紋萌生的促進(jìn)作用減弱，對(duì)疲勞性能的影響也逐步下降。所以，該螺母的疲勞開(kāi)裂是從夾雜物處萌生的裂紋處開(kāi)始起裂的，并在低應(yīng)力下擴(kuò)展，至邊緣3.5 mm處引起瞬間斷裂。

（4）建議

根據(jù)分析筆者提出如下建議：（1）控制材料的Al含量及夾雜物等級(jí)；（2）載荷循環(huán)達(dá)107周次以后，應(yīng)適當(dāng)降低載荷水平，同時(shí)加強(qiáng)檢測(cè)；（3）同制造廠協(xié)商，確定適宜的鎖緊螺母安裝受力水平。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）這次事故是由一級(jí)活塞桿活塞鎖緊螺母因原材料夾雜引發(fā)低應(yīng)力疲勞斷裂，造成對(duì)銷子拉緊螺栓某一瞬時(shí)過(guò)載，并在后續(xù)低應(yīng)力作用下，使銷子拉緊螺栓斷裂，然后引發(fā)一級(jí)連桿連續(xù)多次沖擊，最終造成連桿斷裂。

（2）活塞鎖緊螺母材料為42CrMo，但Al含量達(dá)0.96%，這里Al是形成夾雜物的主要合金元素。

（3）活塞鎖緊螺栓為起源于夾雜物處的低應(yīng)力超長(zhǎng)周期疲勞開(kāi)裂，疲勞載荷為活塞鎖緊螺母受拉壓力及預(yù)緊力的升降而產(chǎn)生的非對(duì)稱交變載荷，最后以剪切方式撕裂。

[1]鄭修麟.金屬疲勞裂紋起始?jí)勖墓浪鉡J].機(jī)械強(qiáng)度，1986，8（4）：20-24.

[2]虞巖貴.在循環(huán)載荷作用下螺紋連接件疲勞壽命的估算[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，22(4)：139-143.

Fault Analysis of the Fracture of the Connecting Rod of Hydrogen Compressor Unit in Hydrogen Production and Hydrogenation Combination Plant

Wu Wenwei Tang Yuhong Wang Jinhong

Based on the fault analysis of the fractures of the failure parts,such as the connecting rod of hydrogen compressor unit in hydrogen production and hydrogenation combination plant,finds out the cause of fracture connecting rod which is a major failure,and puts forward corresponding improvement measures.

Reciprocating compressor;Piston;Locknut;Fracture;Crack;Fatigue fracture break

TH 45

2014-11-13）

*吳文偉，男，1969年生，碩士，高級(jí)工程師。上海市，200137。