往復(fù)壓縮機曲軸斷裂失效分析

尤圣斌 余敏 王李勇

摘要：曲軸是發(fā)動機、往復(fù)壓縮機中的關(guān)鍵運動部件。往復(fù)壓縮機是石油石化行業(yè)最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一。曲軸是往復(fù)壓縮機中動力傳遞的重要零件，長期工作在扭轉(zhuǎn)、拉壓等交變應(yīng)力的作用下。裂紋是曲軸發(fā)生故障的最危險、最頻繁的故障之一。由于曲軸工作在密閉的箱體之中，出現(xiàn)裂紋的曲軸早期狀態(tài)變化不明顯，曲軸裂紋很難被發(fā)現(xiàn)。這給往復(fù)壓縮機安全運行埋下了安全隱患。本文就往復(fù)壓縮機曲軸斷裂失效展開探討。

關(guān)鍵詞：壓縮機;曲軸;疲勞斷裂;過載

引言

某石化公司一臺往復(fù)壓縮機在運行時突然振動連鎖停機，停機后盤車不動，拆檢發(fā)現(xiàn)電機側(cè)曲軸拐斷裂、連桿大頭瓦損毀。該往復(fù)壓縮機為2列立式壓縮機，電機功率為185kW，轉(zhuǎn)速為750r/min，曲軸材料為40Cr鍛件，整體調(diào)質(zhì)處理，表面高頻淬火處理。該曲軸總服役時間不足35個月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命。

1開裂原因分析

曲軸在運行時可能會出現(xiàn)多次曲柄銷開裂，并且兩側(cè)大頭瓦出現(xiàn)短時間的疲勞失效問題，電動機在運行過程中出現(xiàn)一些異常聲音，我們可以對壓縮機在整個制造，設(shè)計，維護等過程進行分析。首先采用300mm直徑的曲軸時其連桿大頭瓦會在短時間內(nèi)出現(xiàn)疲勞損傷，并且在電動機運行時產(chǎn)生異常聲音和較大的振動，經(jīng)過5500h的運行時間之后存在曲柄銷開裂問題，而在使用直徑為280mm的曲軸時，在運行13000h時沒有出現(xiàn)任何開裂問題，而且整個電動機在運行中正常，未發(fā)生異常聲音，大頭軸承壽命相對之前有所延長，在振動中產(chǎn)生的噪音較小。兩根曲柄銷開裂曲軸直徑為300mm，這種毛坯是由不同廠商生產(chǎn)的，經(jīng)過化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測為合格。比較300mm和280mm之間的曲軸其在加工過程中誤差在允許的范圍內(nèi)。在設(shè)計機組時并沒有對軸系完成扭轉(zhuǎn)振動計算，且確定裂紋與曲柄銷中心線呈現(xiàn)45度。在處于交應(yīng)變作用下很容易產(chǎn)生疲勞損傷，機身主軸軸承與水平度誤差在允許范圍內(nèi)。通過對上述問題進行分析，我們發(fā)現(xiàn)直徑為300mm的曲軸在一級曲柄銷處出現(xiàn)開裂主要是由于軸系扭轉(zhuǎn)振動，而針對直徑為300mm的曲軸出現(xiàn)連桿大頭瓦在短時間內(nèi)疲勞損傷，在電動機運行時很容易產(chǎn)生異常聲音，也是與軸系扭轉(zhuǎn)振動存在聯(lián)系的。在具體分析原因中，我們發(fā)現(xiàn)有由于三根曲軸在一級曲柄銷是由不同供應(yīng)商鍛造的，并且曲柄銷產(chǎn)生的裂紋具有顯著的疲勞損傷癥狀，因此我們可以排除曲柄銷在設(shè)計，使用，制造等方面的問題。往復(fù)壓縮機的曲軸是與電動機轉(zhuǎn)子連接在一起的，能夠形成多質(zhì)量軸系，而且具有一定彈性關(guān)系的自由扭轉(zhuǎn)振動特點，在其運行過程中軸系會受到往復(fù)慣性力以及氣體力的周期性變化，產(chǎn)生的激振力及作用，并且按照其作用頻率出現(xiàn)強制振動。當(dāng)軸系的扭轉(zhuǎn)振動固有頻率與激振頻率接近時或者呈現(xiàn)呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系，并且軸系很容易產(chǎn)生強烈扭轉(zhuǎn)振動會加速零部件的損傷，并且使其在使用中產(chǎn)生較大噪音，甚至還會出現(xiàn)開裂問題，降低其運行可靠性。根據(jù)有關(guān)要求供方需要對往復(fù)壓縮機的部分裝置進行扭轉(zhuǎn)分析，而且研究學(xué)者在進行扭轉(zhuǎn)振動計算過程中發(fā)現(xiàn)，對于兩列和四列壓縮機其在扭轉(zhuǎn)振動中不會產(chǎn)生危險，而對于六列之上的壓縮機由于其列數(shù)增加，并且相應(yīng)的直徑也會增加，導(dǎo)致其固有頻率降低，很容易處于名義轉(zhuǎn)速范圍中，破壞軸扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的振動應(yīng)力?；诹兄系那S其安全系數(shù)相對系列來說要高，并且六列以上的曲軸在設(shè)計中需要重點分析振動應(yīng)力問題。當(dāng)曲軸本身或相連的電動機或者連桿大頭瓦出現(xiàn)異常振動時，需要考慮采取有效措施以降低軸系的扭轉(zhuǎn)振動，使用不同直徑的曲軸，軸系扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率是相同的，在軸系相同材料和尺寸下，固有頻率是與直徑的平方成正比的，當(dāng)曲軸直徑為300mm時，相比直徑為200mm的曲軸其固有頻率有所降低，能夠有效避免出現(xiàn)共振區(qū)，進而降低曲軸扭轉(zhuǎn)振動，對于已經(jīng)失效的大頭瓦工作面會產(chǎn)生不同凹坑，其邊緣不規(guī)則，具有顯著的快速疲勞損傷的問題，對于扭轉(zhuǎn)振動較強或者導(dǎo)致油膜壓力顯著變化。在軸瓦外產(chǎn)生較大沖擊力，使軸瓦在短時間中出現(xiàn)裂紋并以較快的速度向內(nèi)部進行裂紋的擴展，此外還會導(dǎo)致連桿大頭瓦和軸承油膜破壞時表面出現(xiàn)咬粘，導(dǎo)致產(chǎn)生新的裂紋，在軸瓦運行需要還會不斷拓展裂紋，使裂紋上下逐漸拓展甚至達(dá)傷痕，會形成新的裂紋源，在軸瓦運行過程中還會使裂紋不斷拓展。這些裂紋向下拓展達(dá)到鋼和合金結(jié)合面之后還會沿結(jié)合線繼續(xù)拓展。對強烈的扭轉(zhuǎn)振動會使其電動機在運行時出現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子的顯著變化，而使定、轉(zhuǎn)子間的空氣流速變化引起磁場脈沖和氣流噪聲增加，最終導(dǎo)致電動機在運行過程中出現(xiàn)異常噪聲。

2曲軸性能分析

（1）曲軸材質(zhì)分析。采用臺式光譜儀對該曲軸（40Cr）近斷裂處取樣進行材質(zhì)成分測定，測定結(jié)果表明曲軸材質(zhì)完全符合JB/T6908標(biāo)準(zhǔn)要求，并且材質(zhì)成分中不含金屬Sn。（2）曲軸機械性能分析。對該曲軸近芯部取樣進行機械性能試驗，曲軸的機械性能符合JB/T6908標(biāo)準(zhǔn)要求。（3）金相組織分析。采用金相顯微鏡IM300（MS04）對曲軸未斷裂部分的取樣進行了組織測定，結(jié)果顯示：（a）曲軸材料致密性良好，未見微觀孔洞、裂紋等缺陷;（b）曲軸表面組織為隱針馬氏體，符合該軸精加工后表面經(jīng)過高頻淬火的熱處理狀態(tài);（c）曲軸芯部基體組織為索氏體，其上分布有珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+少量魏氏組織，呈帶狀分布，該曲軸在粗加工后經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，珠光體的存在說明調(diào)質(zhì)處理時芯部溫度不足，晶體組織未充分轉(zhuǎn)變。

3幾何模型

為了減少不必要的工作量，節(jié)省計算時間，在建立幾何模型時，將一些對分析結(jié)果影響較小的因素做了適當(dāng)?shù)暮喕海?）為保證網(wǎng)格質(zhì)量，避免局部網(wǎng)格過密，忽略了軸頸處的圓角和凸臺;（2）所有載荷均平行曲軸轉(zhuǎn)動平面作用在曲軸上，并認(rèn)為沿軸頸厚度方向均勻分布;（3）靜力分析中，不考慮曲軸振動應(yīng)力，加工制造和裝配誤差引起的軸系附加應(yīng)力;（4）對于軸系中不是均質(zhì)量分布的部件，如飛輪及電機轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)化為均質(zhì)量圓盤，但須保證轉(zhuǎn)化前后的轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量相等.

結(jié)語

（1）該曲軸斷口宏觀形貌有裂紋擴展的貝紋線，微觀形貌呈現(xiàn)疲勞輝紋，屬于典型的疲勞斷裂失效，應(yīng)是機器首次故障及燒瓦導(dǎo)致的初始微損擴展所致。（2）該曲軸熱處理不足，其芯部金相組織沒有充分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，殘余帶狀分布的珠光體等組織，雖然不是本次曲軸斷裂的主要原因，但也是影響曲軸長期服役的致?lián)p因素，因此該類零件的熱處理工藝或操作應(yīng)進行改良，使其獲得合適的內(nèi)外部組織，為長周期運行提供保障。（3）該機經(jīng)歷初期過載事故后應(yīng)拆解相關(guān)聯(lián)的運動部件進行必要的量化檢測，防止安裝狀態(tài)感性檢查的疏漏造成更多的故障。該機此次曲軸斷裂故障后返廠拆檢修理，復(fù)檢相關(guān)零部件、更換新曲軸和軸瓦，重新安裝投運后已經(jīng)連續(xù)無故障運行19個月。

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