原料氣壓縮機4級缸活塞桿斷裂原因分析

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司 山西 030032）

1.引言

2019年3月16日，某燃氣有限公司1#原料氣壓縮4級缸活塞桿檢修完啟動運行2小時（累計運行8000多小時）后發(fā)生斷裂事故，活塞桿工作溫度低于105℃，工作介質為焦爐煤氣，活塞桿直徑為100mm，材料為42CrMoE合金結構鋼，原料氣壓縮機活塞桿示意圖如圖1所示。

圖1 焊接活塞

2.原因分析

2019年8月，某燃氣有限公司將上述發(fā)生斷裂的4級缸活塞桿送交至某金屬研究所，對活塞桿斷裂性質進行原因分析，結果如下：

（1）斷口表面分析。斷裂處距活塞桿螺紋端面經(jīng)測量長度約為1.39m。由于送檢活塞桿較長，斷裂后的活塞桿表面銹蝕較重，為環(huán)向斷裂，斷裂處較平直，不便于對斷口進行檢查，故用線切割從斷口下方16mm處將斷口切下，并對斷口表面銹蝕嚴重且發(fā)生研磨，發(fā)現(xiàn)刮油環(huán)彈簧或填料函彈簧掉入斷口留下的擠壓痕跡，即瞬斷區(qū)。對端口部位進一步放大，有三處斷裂臺階，并伴隨一條弧線出現(xiàn)，判斷應為疲勞弧線，疲勞弧線是疲勞斷口的典型宏觀形貌，說明該斷口為疲勞斷口，疲勞源的位置可見明顯的放射狀紋理，紋理由活塞桿表面起始、向心部擴展，疲勞源為線源，長度約為6mm、寬度約為0.9mm，疲勞源側面可見軸向摩擦痕跡，疲勞擴展區(qū)斷口較為平坦，但銹蝕嚴重，以致無法分辨斷裂形貌。

（2）斷口側面分析。對活塞桿斷口側面的切割面放大分析，斷裂面的切割面的分布不均勻，一部分摩擦面粗糙，磨損較重，可見清晰的軸向摩擦痕跡；另一部分摩擦面光亮，磨損輕微，隱約可見稀疏的軸向摩擦痕跡，這說明送檢活塞桿摩擦面局部存在偏磨現(xiàn)象。從送檢活塞桿疲勞源側面斷口疲勞源位置觀察，可見疲勞源側面存在清晰的軸向摩擦痕跡，垂直于摩擦痕跡發(fā)現(xiàn)兩條與斷口面平行的環(huán)向裂紋，長度約為8.5mm。

（3）低倍組織檢查。在斷口下方約16mm處切取平行于斷口方向的環(huán)向低倍組織試片，經(jīng)50%鹽酸水溶液熱腐蝕后，根據(jù)《GB/T 1979-2001結構鋼低倍組織缺陷評級圖》進行評級，一般疏松為1.5級，未見中心疏松、錠型偏析、一般點狀偏析和邊緣點狀偏析。在低倍試片上測量淬硬層深度，結果為淬硬層深度約為4.27mm。

（4）夾雜物和晶粒度檢查。檢測送檢活塞桿淬硬層和基體的夾雜物，檢測可見夾雜物很少，不需要進行評級。送檢活塞桿淬硬層和基體的晶粒度圖像，根據(jù)《GB/T 6394-2002金屬平均晶粒度測試方法》進行評級，淬硬層為9級，基體為7級。

（5）金相組織檢查。垂直于活塞桿斷口切取疲勞源金相試樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光后得到的金相磨面斷口面，活塞桿疲勞源表面有腐蝕坑。對腐蝕坑的放大像，圖像顯示活塞桿表面發(fā)生腐蝕，可能與活塞桿所處的環(huán)境氣氛有關。金相磨面經(jīng)腐蝕后的金相組織，從斷口面處疲勞源顯示，活塞桿淬硬層外的淬火馬氏體組織，呈灰白色，說明活塞桿淬硬層發(fā)生了二次淬火，疲勞源正是位于二次淬火區(qū)域內(nèi)，疲勞源處的組織為淬火馬氏體組織。距斷口約15mm處的活塞桿表面裂紋由活塞桿表面萌生、向心部擴展；經(jīng)腐蝕后的裂紋萌生于發(fā)生二次淬火區(qū)域的淬火馬氏體組織和上貝氏體+少量回火索氏體混合組織。

（6）硬度測試。表1送檢活塞桿淬硬層洛氏硬度測試結果，淬硬層表面硬度43.2HRC，淬硬層內(nèi)部硬度為49.7HRC，均低于規(guī)定值要求。表2是送檢活塞桿基體布氏硬度測試結果，基體硬度平均為254HBS，低于標準值要求。表3是送檢活塞桿基體上貝氏體組織和回火索氏體的顯微硬度測試結果，上貝氏體組織平均硬度為251HV0.3，回火索氏體組織平均硬度為325HV0.3。

表1 送檢活塞桿催貨層洛氏硬度

表2 送檢活塞桿基體布氏硬度

表3 搜擬建活塞桿基體組織顯微硬度

（7）力學性能測試。從送檢活塞桿基體中切取3根拉伸試樣和3根沖擊試樣，分別用電子拉伸試驗機和擺錘式?jīng)_擊試驗機進行測試，結果如表4所示，活塞桿的屈服強度處于標準值下限、抗拉強度低于標準值要求，斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功均滿足標準值要求。

表4 送檢活塞桿力學性能測試結果

（8）化學成分分析。從送檢活塞桿基體切取Φ30mm×10mm圓片一個和10g分析屑，使用直讀光譜儀、熒光光譜儀和ICP光譜儀進行元素成分分析，結果如表5所示，元素分析結果均滿足標準值要求。

表5 送檢活塞桿化學成分

3.討論

送檢活塞桿斷口檢查結果表明，活塞桿斷口存在疲勞弧線，說明活塞桿屬于疲勞斷裂，疲勞源位于活塞桿淬硬層表面，斷口上瞬斷區(qū)面積較小，說明疲勞裂紋擴展時受到的工作應力較小。對斷口疲勞源側面檢查結果可知，活塞桿表面局部存在軸向摩擦痕跡，并且疲勞源側面磨損較重，從而引起活塞桿表面產(chǎn)生環(huán)向磨削裂紋，而疲勞擴展區(qū)對應的活塞桿表面磨損輕微，說明活塞桿存在偏磨現(xiàn)象。對送檢活塞桿的金相組織檢查結果表明，基體組織為上貝氏體和少量的回火索氏體，硬度測試結果說明上貝氏體硬度（251HV）明顯低于回火索氏體硬（325HV），活塞桿基體的布氏硬度測試結果也與上貝氏體硬度基本一致，而42CrMoE鋼正常調質處理后的組織應為回火索氏體組織，說明活塞桿調質處理工序出現(xiàn)偏差，應與淬火冷卻速度較慢有關。

對送檢活塞桿的力學性能測試結果表明，送檢活塞桿的淬硬層硬度、基體硬度、基體抗拉強度均低于標準值要求，基體屈服強度僅處于標準值下限，致使活塞桿中部受到彎矩作用與填料發(fā)生偏磨，對疲勞源的截面金相組織檢查結果說明，距斷口15mm處活塞桿局部表面由于磨削發(fā)生二次淬火生成淬火馬氏體組織，磨削裂紋萌生于淬火馬氏體組織并向心部擴展；疲勞源處的組織為二次淬火后形成的淬火馬氏體組織，淬火馬氏體組織硬而脆、易產(chǎn)生裂紋，在拉壓交變工作應力作用下發(fā)生疲勞斷裂。送檢活塞桿的化學成分、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功均滿足標準值要求。

4.結論

（1）送檢活塞桿斷口屬于疲勞斷裂，疲勞源位于活塞桿淬硬層表面，斷口距活塞桿螺紋端面的長度約為1.39米。（2）送檢活塞桿的淬硬層硬度、基體硬度、基體抗拉強度均低于標準值要求，基體屈服強度僅處于標準值下限，致使活塞桿中部受到彎矩作用與填料發(fā)生偏磨，從而萌生磨削裂紋后在拉壓交變工作應力作用下發(fā)生疲勞斷裂。（3）送檢活塞桿的化學成分、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功均滿足標準值要求。