3Cr13不銹鋼氣閥試樣斷裂過程的聲發(fā)射特性

婁燕敏，董奇瑋，李子良，劉 坤，焦金龍

（1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318；2.北京石油機(jī)械廠，北京 10083；3.大慶油田有限責(zé)任公司 第四采油廠試驗(yàn)大隊(duì)，大慶 163000）

氣閥是往復(fù)式壓縮機(jī)的主要零部件之一，在壓縮機(jī)的排氣、功率消耗及其可靠運(yùn)行等方面有著非常重要的作用。而氣閥故障是往復(fù)式壓縮機(jī)最常見、易發(fā)的主要故障之一；因此，對往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地故障診斷具有重要的意義。3Cr13不銹鋼氣閥主要用于控制液體、蒸汽、油品、氣體等流體流動(dòng)的壓縮機(jī)閥，因而在航空、石油、石化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－3］。3Cr13不銹鋼氣閥在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象。為了不損壞往復(fù)式壓縮機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及性能，通常采用無損故障診斷技術(shù)對往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥進(jìn)行故障檢測［4－6］。

聲發(fā)射技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)的無損檢測技術(shù)。材料在受到作用力后，會(huì)發(fā)生一定的變形、斷裂；當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，材料會(huì)進(jìn)入不可逆的塑性變形階段。在此過程中，材料會(huì)以瞬態(tài)彈性波的形式釋放應(yīng)變能，這種現(xiàn)象就是聲發(fā)射，又稱應(yīng)力波發(fā)射。利用聲發(fā)射技術(shù)可監(jiān)視材料或零件的有害缺陷，并確定發(fā)生損傷的載荷、部位及其嚴(yán)重程度。因此，聲發(fā)射技術(shù)在石油、石化、航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［7－11］。筆者利用聲發(fā)射技術(shù)、萬能試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）等設(shè)備分析3Cr13不銹鋼氣閥試樣的損傷線定位聲發(fā)射特性、斷裂聲發(fā)射特性及其斷口形貌和組分，為往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥的故障診斷提供一種無損診斷方法。

1 試驗(yàn)方法

往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥試樣材料為3Cr13不銹鋼，尺寸為φ12mm×80mm。試驗(yàn)在WEW－2000A型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用加載速率為2mm／min的連續(xù)加載拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑▓D1）。用CTS－8077PR型聲發(fā)射系統(tǒng)記錄并分析線定位、幅度以及振鈴計(jì)數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)隨加載時(shí)間的變化。傳感器諧振頻率150kHz，濾波頻寬100～450kHz，門檻40dB，采用真空脂耦合，按傳感器尺寸截取特定長度的橡皮筋固定，通過斷鉛標(biāo)定確認(rèn)耦合良好。使用某公司生產(chǎn)的S3400型掃描電鏡觀察3Cr13不銹鋼試樣的斷口表面形貌，使用某公司生產(chǎn)的X－Flash610C型X射線能譜儀對斷口成分進(jìn)行分析。

圖1 拉伸試驗(yàn)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣損傷線定位聲發(fā)射特性分析

圖2為相同載荷條件下，氣閥試樣斷裂的線定位聲發(fā)射特性分布圖。由圖2可知，氣閥試樣在距離3號傳感器30mm處出現(xiàn)較強(qiáng)聲發(fā)射峰，呈現(xiàn)試樣區(qū)域損傷特點(diǎn)，而該處為氣閥試樣的斷裂部位。這是因?yàn)?，在氣閥試樣拉伸過程中，其中部區(qū)域因承受較大載荷而發(fā)生拉伸變形，進(jìn)而發(fā)生區(qū)域損傷和斷裂。

圖2 試樣斷裂過程線定位聲發(fā)射特性分布

2.2 試樣斷裂聲發(fā)射特性分析

對3Cr13不銹鋼氣閥試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣拉伸載荷、幅度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可見，在拉伸時(shí)間為175.5s時(shí)，氣閥試樣發(fā)生斷裂，其聲發(fā)射幅度最大為84dB。另外，氣閥試樣在斷裂過程中還出現(xiàn)了一些幅度為43～80dB的信號，這些信號為試樣內(nèi)部晶界損傷及微裂紋等機(jī)制所致［12－13］。還可看出，氣閥試樣的最大加載載荷為83kN。

圖3 氣閥試樣斷裂過程聲發(fā)射特性

圖4為氣閥試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)的振鈴計(jì)數(shù)與撓度聲發(fā)射特性曲線。從圖4可看出，當(dāng)氣閥試樣的撓度為0.48，0.74時(shí)，氣閥試樣的振鈴計(jì)數(shù)分別為3.7×103，27.1×103個(gè)。因此，A1和A2兩點(diǎn)分別為氣閥試樣的起始損傷和嚴(yán)重?fù)p傷階段。

圖4 氣閥試樣振鈴計(jì)數(shù)與撓度聲發(fā)射特性曲線

2.3 試樣斷口形貌和能譜分析

圖5為氣閥試樣斷口的掃描電鏡照片，圖5（a）為氣閥試樣斷口的表面形貌，圖5（b）為氣閥試樣斷口橫截面的表面形貌。由圖5（a）可見，氣閥試樣在承受83kN拉力時(shí)，試樣表面呈現(xiàn)規(guī)則的層狀形貌，這是因?yàn)闅忾y試樣承受的最大應(yīng)力超過了其屈服極限。另外，氣閥在頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，已達(dá)到其疲勞極限，而導(dǎo)致氣閥試樣發(fā)生斷裂［14－15］。由圖5（b）可見，在氣閥試樣的斷口內(nèi)部存在大量微裂紋，這就是氣閥試樣在斷裂過程中產(chǎn)生幅度為43～80 dB信號的主要原因。

圖5 氣閥試樣斷口的表面形貌掃描電鏡照片

利用能譜儀對3Cr13不銹鋼氣閥試樣斷口進(jìn)行成分分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在氣閥試樣斷口表面，其主要成分為Cr元素（重量百分比含量為13.8%），其次為C和Si元素，而K和Fe元素則是由于試驗(yàn)時(shí)鋼材夾具夾持試樣產(chǎn)生的干擾結(jié)果。

圖6 氣閥試樣斷口的能譜圖

3 結(jié)論

（1）3Cr13不銹鋼氣閥試樣在距離3號傳感器30mm處出現(xiàn)較強(qiáng)聲發(fā)射峰，在拉伸時(shí)間為175.5s時(shí)，氣閥試樣發(fā)生斷裂，其聲發(fā)射幅度最大為84dB。在斷裂過程中，氣閥試樣還出現(xiàn)一些幅度為43～80 dB的信號，其最大加載載荷為83kN。當(dāng)氣閥試樣的撓度為0.48，0.74時(shí)，氣閥試樣的振鈴計(jì)數(shù)分別為3.7×103，27.1×103個(gè)。

（2）3Cr13不銹鋼氣閥試樣在承受83kN拉力時(shí)，斷口呈現(xiàn)規(guī)則的層狀形貌。在閥試樣斷口上的大量微裂紋，是斷裂過程中產(chǎn)生幅度為43～80dB信號的主要原因。在氣閥試樣斷口表面，其主要成分為Cr元素（重量百分比含量為13.8%），其次為C和Si元素，而K和Fe元素則是外界試驗(yàn)干擾的結(jié)果。

（3）聲發(fā)射技術(shù)是一種有效的往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥無損故障的診斷方法。

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