氫氣壓縮機活塞桿斷裂失效分析

李蔚鵬 楊明明 鄭瑾

摘要：壓縮機是石油化工等行業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，其運行周期長短直接影響到企業(yè)的安全及生產(chǎn)效益。因此，業(yè)內(nèi)對往壓縮機檢測及重視程度越來越高，而活塞桿斷裂是往壓縮機運行事故的主要原因之一，活塞桿發(fā)生突然斷裂失效給石化企業(yè)安全生產(chǎn)帶來很大的威脅?；诖?，本文主要對氫氣壓縮機活塞桿斷裂失效進行分析探討。

關(guān)鍵詞：氫氣壓縮機;活塞桿;斷裂失效

前言

據(jù)不完全統(tǒng)計，活塞桿斷裂在氫氣壓縮機的失效事故中十分普遍，由活塞桿斷裂引起的氫氣壓縮機連鎖破壞，甚至造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失的事故時有發(fā)生。作者以某石化企業(yè)從國外進口的一臺氫氣壓縮機斷裂活塞桿作為研究對象，探討活塞桿失效原因，并提出改進建議。

1 試樣制備與試驗方法

對活塞桿斷裂處進行取樣、通過肉眼觀察表面斷口，線切割制取金相試驗試樣，通過金相顯微鏡觀察活塞桿的微觀組織，采用EDS分析儀分析試樣中的合金元素含量以及腐蝕產(chǎn)物成分，線切割制取力學(xué)性能試樣，并測試斷裂處活塞桿的力學(xué)性能，用SEM掃描電鏡分析活塞桿的斷口微觀形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀分析

由圖1可知，活塞桿斷面與軸線方向垂直，斷口由平整和粗糙兩個區(qū)域部分，粗糙區(qū)所在斷口面積比例約10%，表明斷口基本屬于脆性斷口。粗糙區(qū)為斷口最終斷裂區(qū)，處于斷口邊緣，斷口表面可見斷裂放射線并指向最終斷裂區(qū)，由此可見，表明裂紋源位于活塞桿圓周外緣部位，具有多源性，屬于軸向交變應(yīng)力所導(dǎo)致的疲勞斷裂。

2.2成分分析

EDS能譜成分分析結(jié)果表明，活塞桿材料為42CrMo鋼（表1）。由表1可知，活塞桿材料中含有1.10%的Cr和0.32%的Mo元素，盡管鉬含量偏高，可以判斷活塞桿實際用鋼為42CrMo。42CrMo是一種典型的耐熱低合金鋼，有良好的高溫耐氧化性和高溫強度。從表1中還可以看出，活塞桿中P元素含量與GB/T3077標準值相符，但是S元素含量達0.015%，硫元素會引起耐熱鋼的熱脆性，硫元素含量超標對耐熱鋼的性能是十分有害的，降低活塞桿的高溫持久強度和使用壽命。

2.3顯微組織

活塞桿選材為42CrMo鋼，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，由顯微組織分析可知活塞桿微觀組織為回火索氏體+鐵素體，圖中白色條狀物為鐵素體，索氏體組織較為粗大，顆粒狀碳化物分布于鐵素體條之間，原馬氏體位向明顯。由鐵素體條的形狀、大小和分布可知該活塞桿在淬火時形成的馬氏體組織非常粗大，由活塞桿外表面向內(nèi)，馬氏體組織等級依次降低，外表面馬氏體等級為8級，半徑中部馬氏體等級為7級，活塞桿心部馬氏體等級為6級。由于活塞桿橫截面馬氏體組織均較粗大，從而大幅降低了活塞桿的韌性。

由表2可知，活塞桿顯微維氏硬度由表及里分別為251HV0.2、249HV0.2和235HV0.2，硬度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。螺紋表面和螺紋根部硬度基本接近，沒有表面脫碳軟化現(xiàn)象發(fā)生。

2.4力學(xué)性能

活塞桿的抗拉強度和沖擊韌性低于國家標準GB3077-2015中42CrMo鋼調(diào)質(zhì)處理后性能標準的要求，塑性尚可。淬火形成的粗大馬氏體組織導(dǎo)致韌性下降，最終發(fā)生早期疲勞斷裂。

2.5斷口形貌

斷口表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，局部可粗略觀察到疲勞輝紋存在。通過EDS成分分析發(fā)現(xiàn)碳元素含量約為14.35%，氧元素含量約為4.67%，并伴有少量0.64%氯元素。斷口表面的碳元素可能是由于含碳有機物（如機油等）污染所致，氧元素是由于斷口在空氣環(huán)境中氧化所致?；钊麠U本體未與介質(zhì)相接觸，可排除腐蝕疲勞斷裂的可能性，由此可斷該活塞桿的斷裂應(yīng)為自身韌性不足，在機械交變應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞斷裂。

3 活塞桿斷裂失效對策措施

3.1活塞桿制造結(jié)構(gòu)改進

活塞桿結(jié)構(gòu)的改進也會對壽命延長起到作用，重新設(shè)計活塞桿的結(jié)構(gòu)，將活塞體與活塞桿緊固方式由電加熱形式更改為超級螺母形式，超級螺母指的是超強的預(yù)緊力，有一個頂錐螺母，螺母上還有一圈小螺釘，逐級緊固，利用普通的扭矩扳手也可達到極高的緊固力。

3.2原料管理控制措施

在活塞桿運行環(huán)境中，介質(zhì)對活塞桿的影響是至關(guān)重要的，因此，作者及時調(diào)整、優(yōu)化原料的工藝參數(shù)，并與生產(chǎn)調(diào)度部門協(xié)商控制原料管理，尤其是調(diào)度與罐區(qū)原料流程變更的操作管理，強化工藝紀律管理，平穩(wěn)上游裝置操作，加強預(yù)加氫原料監(jiān)控，主要目的是降低原料重組分含量及烯烴含量，杜絕原料受污染。加工二次組分油時，要進行全面評估，裝置正常生產(chǎn)過程中在重整裝置入口定期采樣監(jiān)測原油的密度、含水、鹽、硫、酸值等性質(zhì)，嚴格控制硫含量，要求檢驗分析結(jié)果明確進料硫含量的具體數(shù)據(jù)，利用低硫進料對反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備進行鈍化。

3.3工藝操作控制措施

在活塞桿使用過程中，除了介質(zhì)的影響，人對設(shè)備的操作正確與否也是一個關(guān)鍵因素，設(shè)備操作不當(dāng)，也會造成設(shè)備提前老化，減少設(shè)備的使用壽命。因此作者在工藝操作規(guī)程中增加了部分新的內(nèi)容，以確保設(shè)備的正常運行。主要內(nèi)容是要求：

（1）在生產(chǎn)運行中確保工藝流程中空冷A101A-D全部正常投用，盡量降低介質(zhì)進入罐V103溫度，減少介質(zhì)帶液。

（2）控制好罐V103液位，在保證介質(zhì)不串氣的情況下，盡量拉低V103液位。加大入口分液罐V104體積，同時要切實做好入口分液罐V104的排液工作，對V104每12小時排液一次，做好記錄，防止介質(zhì)帶液。

（3）加大管線入口伴熱蒸汽線的伴熱，提高壓縮機入口溫度和出口溫度，盡量避免介質(zhì)中的烴類成液態(tài)。

4、結(jié)論與建議

活塞桿的失效形式為疲勞斷裂，裂紋起源位于第二道螺紋根部?；钊麠U的熱處理工藝不當(dāng)使得活塞桿各部位組織極不均勻，導(dǎo)致活塞桿材料的屈服強度、抗拉強度、硬度、沖擊韌度等多項力學(xué)性能均不滿足標準要求，特別是螺紋區(qū)域的強度遠遠達不到要求，這是活塞桿過早發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。為防止類似事故的再次發(fā)生，建議：嚴格控制活塞桿的熱處理工藝，確保材料的組織與力學(xué)性能滿足要求;活塞桿投入使用前，應(yīng)嚴格進行表面質(zhì)量檢查和探傷，對服役活塞桿，應(yīng)定期進行表面微裂紋檢驗，預(yù)防微裂紋源誘導(dǎo)活塞桿過早發(fā)生疲勞斷裂。

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