氫氣壓縮機(jī)活塞桿斷裂失效分析

章建成，夏明六

(銅陵市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 銅陵 244000)

某化工公司含氫壓縮機(jī)活塞桿于2017年10月投入使用，投入使用后未足月，巡檢人員在例行巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)異常聲響。經(jīng)過操作人員停機(jī)后檢查，發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)缸內(nèi)活塞桿斷裂，經(jīng)查閱設(shè)備臺(tái)賬，該設(shè)備投入使用僅22天?；钊麠U材質(zhì)為42CrMoE，該缸內(nèi)吸氣壓力為2.11 MPa，排氣壓力為6.25 MPa；吸氣時(shí)缸內(nèi)溫度為35 ℃，排氣時(shí)缸內(nèi)溫度為130 ℃，活塞外徑為410mm，壓縮機(jī)額定功率為3080 KW，轉(zhuǎn)速為295 r/min。為查明活塞桿斷裂原因，杜絕類似故障再次發(fā)生，對(duì)斷裂活塞桿進(jìn)行失效分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

對(duì)活塞桿斷裂處進(jìn)行取樣、通過肉眼觀察表面斷口，線切割制取金相試驗(yàn)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(cè)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(yàn)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(gè)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[1]。

圖1 活塞桿及其斷口宏觀照片

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(見圖2和表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(shí)際用鋼為42CrMo[1]。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(qiáng)度。從表1中還可以看出，活塞桿中P元素含量與GB/T3077標(biāo)準(zhǔn)值相符，但是S元素含量達(dá)0.015%，硫元素會(huì)引起耐熱鋼的熱脆性[2]，硫元素含量超標(biāo)對(duì)耐熱鋼的性能是十分有害的，降低活塞桿的高溫持久強(qiáng)度和使用壽命。

圖2 活塞桿斷口EDS成分分析特征譜

表1 活塞桿化學(xué)成分分析結(jié)果

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(見圖3)，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(shí)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(jí)依次降低，外表面馬氏體等級(jí)為8級(jí)，半徑中部馬氏體等級(jí)為7級(jí)，活塞桿心部馬氏體等級(jí)為6級(jí)[4]。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。

圖3 活塞桿金相顯微照片

由表2可知，活塞桿顯微維氏硬度由表及里分別為251 HV0.2、249 HV0.2和235HV0.2，硬度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。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。

表2 活塞桿顯微硬度測(cè)試結(jié)果(HV0.2)

2.4 力學(xué)性能

由表3可知，活塞桿的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3077-2015中42CrMo鋼調(diào)質(zhì)處理后性能標(biāo)準(zhǔn)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。

表3 活塞桿力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.5 斷口形貌

由圖3可知，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(jī)物(如機(jī)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。活塞桿本體未與介質(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(jī)械交變應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞斷裂。

圖4 活塞桿斷口微觀形貌SEM照片

圖5 活塞桿斷口表面腐蝕產(chǎn)物成分EDS分析特征譜線

3 結(jié)論與建議

由以上分析可知，該氫氣壓縮機(jī)活塞桿的斷裂屬于疲勞斷裂。淬火形成的粗大馬氏體組織導(dǎo)致韌性下降，在軸向機(jī)械交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞。建議通過熱處理措施進(jìn)一步細(xì)化活塞桿晶粒，或控制好熱處理溫度，避開粗大馬氏體組織形成，可有效提高活塞桿的強(qiáng)度和韌性。