壓縮機(jī)活塞桿斷裂失效分析

孟慶武，王學(xué)增，曹君臣，于心瀧，余俊志

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械學(xué)院，黑龍江 大慶163318;2.中國石油大慶石化分公司，黑龍江 大慶163000）

壓縮機(jī)活塞桿斷裂失效分析

孟慶武1，王學(xué)增2，曹君臣2，于心瀧1，余俊志1

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械學(xué)院，黑龍江 大慶163318;2.中國石油大慶石化分公司，黑龍江 大慶163000）

為了查明乙烯壓縮機(jī)活塞桿短期斷裂失效原因，針對活塞桿進(jìn)行了斷口分析和微觀組織檢測。結(jié)果表明：活塞桿斷裂性質(zhì)是機(jī)械疲勞，材質(zhì)中夾雜物過多以及熱處理不完全造成的組織缺陷，降低了活塞桿的抗疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致其短時間內(nèi)發(fā)生疲勞斷裂。

活塞桿；斷裂；失效分析

1 引言

往復(fù)式活塞壓縮機(jī)是最常用的容積式壓縮機(jī)[1]，具有制造技術(shù)成熟、壓力范圍廣、熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、排氣量調(diào)節(jié)范圍大、材料要求不高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油和化工等領(lǐng)域的各類氣體壓縮場合。活塞桿是壓縮機(jī)的運(yùn)動部件，其推動活塞往復(fù)運(yùn)動一次，依次完成膨脹、吸氣、壓縮、排氣4個過程?；钊麠U的主要失效形式是斷裂，造成斷裂的因素很多，除了疲勞載荷以外，還有加工缺陷和安裝精度[2-3]、介質(zhì)腐蝕[4-5]、結(jié)構(gòu)不合理[6]等多種因素。本文以化工生產(chǎn)裝置的一起壓縮機(jī)活塞桿斷裂失效事故為例，通過檢測與分析，查清造成活塞桿斷裂的主要因素，為同類活塞桿斷裂事故分析與改進(jìn)措施提供技術(shù)指導(dǎo)。

活塞桿斷裂的壓縮機(jī)型號為6HF2-3，意大利Nuovo Pignone公司生產(chǎn)，壓縮機(jī)介質(zhì)為乙烯，操作壓力8 MPa，操作溫度80℃。斷裂的活塞桿為新替換的，材質(zhì)為40CrNiMoA合金鋼，由國內(nèi)某廠家制造，僅僅使用了2個月就發(fā)生了斷裂，壽命很短。

2 活塞桿斷口形貌檢查分析

由圖1活塞桿整體側(cè)面形貌可以看出，活塞桿整個長度的較粗部分（直徑φ110 mm）表面打磨光亮，左端變徑小頭段的側(cè)表面明顯可見加工痕跡，未發(fā)現(xiàn)表面熱處理跡象。活塞桿斷裂部位在變徑小頭的連接螺紋處，即在與螺帽連接的2～3螺紋扣處，參見圖2。由圖2活塞桿斷口形貌可以看出，斷口大部分區(qū)域比較平整，在斷口平面的下側(cè)有一個凹進(jìn)的最后撕裂斷面?；钊麠U整個斷口宏觀形貌符合疲勞斷口的形貌特征。

3 活塞桿斷口微觀檢測分析

在活塞桿斷口上選區(qū)截取未受到撞擊破壞的斷口試樣，超聲波清洗干凈，用掃描電鏡分析斷口表面微觀形貌，用能譜儀檢測表面化學(xué)成分。由圖3可以看出，活塞桿斷口在高倍下微觀形貌特征為疲勞輝紋，屬于典型疲勞斷裂機(jī)理。這說明活塞桿在2個月的使用過程中，螺紋根部萌生微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終造成疲勞斷裂。表1斷口表面成分檢測結(jié)果表明，斷口表面無腐蝕產(chǎn)物，說明活塞桿斷裂與腐蝕無關(guān)。

4 活塞桿螺紋加工形態(tài)微觀分析

選取帶螺紋試樣，用掃描電鏡分析螺紋根部表面和橫截面微觀形貌，查找是否存在螺紋加工缺陷。由圖4和圖5可以看出，活塞桿螺紋根部加工形態(tài)正常，未發(fā)現(xiàn)粗大加工刀痕或者其它缺陷，這說明活塞桿螺紋加工方面不存在質(zhì)量問題。

5 活塞桿組織中夾雜物檢測評級

在活塞桿上截取小試樣，經(jīng)過研磨和拋光，利用掃描電鏡對試樣組織進(jìn)行夾雜物評級，用能譜儀檢測夾雜物成分。由圖6和圖7可以看出，活塞桿微觀組織中含有較多的條狀非金屬夾雜物，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005，條狀非金屬夾雜物屬于A類夾雜物，評級為1.5級，材質(zhì)夾雜物超標(biāo)。能譜成分檢測結(jié)果表明：條狀非金屬夾雜物的主要成分為S和Mn元素，確定為鋼中常見的硫化錳夾雜物。

6 活塞桿金相組織檢測分析

將上述試樣用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制備成金相試樣，利用金相顯微鏡對試樣進(jìn)行金相組織分析。由圖8活塞桿金相組織可以看出，活塞桿組織分布不均勻，呈現(xiàn)軸向條帶狀分布，這是活塞桿毛坯料扎制形成的。呈現(xiàn)條帶狀分布的金相組織中，一部分區(qū)域?yàn)楸容^粗大的貝氏體組織，一部分區(qū)域?yàn)榧?xì)小的索氏體組織，參見圖9。這說明活塞桿制造過程中的熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)熱處理，但是熱處理不完全，未形成全部索氏體組織，含有較脆的粗大貝氏體組織，從而降低了活塞桿的抗疲勞強(qiáng)度。

7 活塞桿斷裂原因分析與技術(shù)措施

根據(jù)活塞桿斷口的宏觀和微觀形貌特征，結(jié)合活塞桿的交變載荷工況，判斷活塞桿斷裂屬于機(jī)械疲勞失效?；钊麠U材質(zhì)的微觀組織中發(fā)現(xiàn)了較多的MnS非金屬夾雜物，削弱了活塞桿的承載能力，再加上組織中含有較脆的粗大貝氏體組織，這些都降低了活塞桿的抗疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致活塞桿短期內(nèi)就發(fā)生疲勞斷裂失效。

針對造成活塞桿斷裂的主要因素，提出了改進(jìn)的活塞桿制造技術(shù)方案，包括控制材質(zhì)中非金屬夾雜物含量、優(yōu)化調(diào)質(zhì)熱處理工藝、表面滲碳/氮以及表面淬火等強(qiáng)化處理。按照新技術(shù)方案制造的活塞桿使用壽命延長到一年以上，為企業(yè)減少了經(jīng)濟(jì)損失。

[1] 郁永章，等.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 袁向東，袁輝耀，劉新尚.大型往復(fù)式真空泵活塞桿斷裂失效分析與改進(jìn)[J].石油化工設(shè)備，2015，44（1）：89-92. [3] 張可紅，郭玉華.淺談壓縮機(jī)活塞桿斷裂事故的原因[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2005，（5）：40-41.

[4] 阮鑫，阮霄羽，王成君.壓縮機(jī)活塞桿過早疲勞斷裂原因分析及防范措施[J].通用機(jī)械，2010，（8）：40-43.

[5] 李輝.壓縮機(jī)三級活塞桿斷裂故障分析[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2009，26：165-168.

[6] 孫計良，趙曙光.壓縮機(jī)活塞桿斷裂事故分析及技術(shù)改造[J].機(jī)械，2014，41（3）：68-69.

Analysis of Fracture Failure in a Compressor Piston Rod

MENG Qing-wu1,WANG Xue-zeng2,CAO Jun-chen2,YU Xin-long1,YU Jun-zhi1
(1.College of Mechanical Science&Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.PetroChina Daqing Petrochemical Company,Daqing 163000,China)

In order to find out the fracture reason of a piston rod of an ethylene compressor,the fracture and microstructure examination of the piston rod was carried out.The testing results showed that the fracture failure property of the piston rod was mechanical fatigue.Too much non-metallic inclusion in the material and microstructure defect caused by incompletely heat treatment reduced the fatigue strength of the piston rod.As a result,the piston rod fatigue fractured in a short period of time.

piston rod;fracture;failure analysis

TH457

B

1006-2971（2015）06-0054-03

孟慶武（1968-），男，教授，博士后，主要從事失效分析方面研究工作。E-mail∶qingwumeng523@163.com

2015-07-11

國家科技支撐計劃項目“石油裝備制造業(yè)創(chuàng)新技術(shù)服務(wù)平臺建設(shè)”資助（2012BAH28F03）