氫氣增壓機(jī)活塞桿斷裂原因

劉桂連, 高煥麗, 湯秋美, 王傳志

(北京燕華工程建設(shè)有限公司, 北京 102502)

氫氣增壓機(jī)組的作用是將氫氣壓力提高后輸送到氫氣管網(wǎng)，供其他煉油、化工裝置使用。氫氣增壓機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行直接影響到其他氫氣裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，如發(fā)生故障會(huì)造成其他裝置的非計(jì)劃停車[1]。

氫氣增壓機(jī)為對(duì)稱平衡型活塞壓縮機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，行程為360 mm。根據(jù)氫氣增壓機(jī)使用說(shuō)明書(shū)、圖紙等技術(shù)資料可知，活塞桿前端與活塞連接，尾端與十字頭連接(見(jiàn)圖1)。按照說(shuō)明書(shū)要求將活塞桿安裝后，在彈性變形范圍內(nèi)，尾端部分長(zhǎng)期承受一定的預(yù)拉應(yīng)力。工作時(shí)，尾端與活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期同步，再隨著十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其承受的周期拉應(yīng)力增加。氫氣增壓機(jī)工作時(shí)，活塞桿尾端應(yīng)力狀態(tài)在周期拉應(yīng)力+預(yù)拉應(yīng)力和預(yù)拉應(yīng)力之間循環(huán)往復(fù)。

某氫氣增壓機(jī)在工作過(guò)程中其活塞桿發(fā)生斷裂,為了查明斷裂原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)，并提出了改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

活塞桿、止推圈、活塞桿帶壓力體部分宏觀形貌如圖2所示。斷裂活塞桿直徑為51 mm，活塞桿材料為42CrMoE鋼，斷裂部位在其尾端，使用約2 a。

止推圈材料為42CrMo鋼。

活塞桿兩側(cè)斷口外圓邊緣均有卷邊現(xiàn)象，邊緣存在鋸齒狀形貌，斷口截面約有一半為平滑區(qū)，剩余一半斷面可見(jiàn)塑性變形?；钊麠U尾端斷口與止推圈內(nèi)圓面宏觀形貌如圖3所示。

活塞桿尾端斷口頸縮現(xiàn)象明顯，直徑減小了0.5～0.7 mm。在斷裂活塞桿外圓面(與止推圈內(nèi)圓面的接觸部位)有磨損痕跡。

止推圈的兩個(gè)半圈與活塞桿對(duì)應(yīng)處有明顯磨損痕跡，磨損痕跡沿軸向長(zhǎng)度不等，在止推圈與活塞桿尾端接觸的平端面有一圈光亮的沖擊壓痕，壓痕有明顯的塑性變形，局部壓痕有車刀紋痕跡，其他部位未見(jiàn)車刀紋痕跡，壓痕外圈直徑與活塞桿尾端尺寸一致，壓痕的車刀紋與活塞桿車刀紋一致，壓痕深度不一致。

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 20123—2006 《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》、GB/T 223.59—2008 《鋼鐵及合金 磷含量的測(cè)定》、GB/T 223.5—2008 《鋼鐵 酸溶硅和全硅含量的測(cè)定》、GB/T 223.79—2007 《鋼鐵 多元素含量的測(cè)定X-射線熒光光譜法(常規(guī)法)》、GB/T 14203—2016 《火花放電原子發(fā)射光譜分析法通則》，對(duì)活塞桿及止推圈的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 活塞桿與止推圈材料的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測(cè)試

按照GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)活塞桿和止推圈分別進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 活塞桿和止推圈的硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》及 GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，截取拉伸試樣和沖擊試樣，分別進(jìn)行室溫拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 活塞桿的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

1.5 金相檢驗(yàn)

按照GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》及 GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)方法》，對(duì)活塞桿與止推圈不同位置分別進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

(1) 利用光學(xué)顯微鏡對(duì)活塞桿尾端端面的非金屬夾雜物與顯微組織進(jìn)行觀察。非金屬夾雜物級(jí)別為：B類氧化鋁級(jí)別，細(xì)系0.5級(jí)； D類環(huán)狀氧化物級(jí)別,粗系0.5級(jí)。顯微組織為回火索氏體+鐵素體，晶粒度等級(jí)為8級(jí)(見(jiàn)圖4)。

(2) 用光學(xué)顯微鏡對(duì)活塞桿尾端斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)組織為回火索氏體+鐵素體，斷口附近外圓表面組織為回火索氏體，組織不均勻(見(jiàn)圖5)。

(3) 用光學(xué)顯微鏡對(duì)止推圈內(nèi)表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)組織為回火索氏體+鐵素體(見(jiàn)圖6)。

1.6 掃描電鏡(SEM)分析

對(duì)活塞桿尾端斷口進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：瞬斷區(qū)及其與平滑區(qū)分界線處存在大量微裂紋；平滑區(qū)未見(jiàn)微裂紋；貝紋線不清晰，疲勞輝紋方向與疲勞裂紋擴(kuò)展方向一致；未發(fā)現(xiàn)較集中的非金屬夾雜物。

2 綜合分析

起裂位置在活塞桿外圓表面附近，由外圓表面向心部擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一定程度后，由一側(cè)向另一側(cè)擴(kuò)展。

瞬斷區(qū)及其與平滑區(qū)分界線處存在大量微裂紋，說(shuō)明該處所受載荷大于極限強(qiáng)度，造成活塞桿先變形后斷裂，符合瞬斷特征。平滑區(qū)未見(jiàn)微裂紋，說(shuō)明平滑區(qū)是累積損傷造成的。

由斷口分析可知，該斷裂屬于髙周或超髙周疲勞斷裂。

綜上所述，可以判斷活塞桿的斷裂過(guò)程如下所述。

(1) 活塞桿尾端部位有伸長(zhǎng)變形，活塞桿承受拉應(yīng)力。

(2) 在工作過(guò)程中，活塞桿尾端部位承受300次/min的拉應(yīng)力交變循環(huán)載荷。

(3) 由于活塞桿尾端力學(xué)性能不足，使疲勞裂紋萌生。

(4) 活塞桿表面或近表面產(chǎn)生微裂紋，隨著交變載荷的作用，裂紋逐漸擴(kuò)展。

活塞桿尾端斷口具有髙周或超高周疲勞裂紋的特征，裂紋的起源位置與工件結(jié)構(gòu)、工件表面的加工精度、表面及近表面的缺陷、表面及近表面的硬度均勻性等有關(guān)。

(5) 隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，活塞桿開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。塑性變形使活塞桿尾端與止推圈之間產(chǎn)生間隙，在隨后的工作過(guò)程中，活塞桿與止推圈之間相互碰撞，并留下了接觸磨損痕跡。

活塞桿硬度高于止推圈硬度，在止推圈表面產(chǎn)生了明顯的撞擊痕跡；活塞桿與止推圈之間出現(xiàn)了間隙，使撞擊痕跡深度不一致，在缺口部位深度較大。

(6) 當(dāng)活塞桿尾端有效截面積減小到一定程度，且拉應(yīng)力大于活塞桿的抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生瞬時(shí)斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 活塞桿材料的熱處理狀態(tài)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，以及熱處理工藝不當(dāng)，使材料強(qiáng)度及韌性都降低，力學(xué)性能不足，影響了活塞桿的使用性能和壽命。

(2) 活塞桿尾端受拉應(yīng)力循環(huán)載荷作用，最終發(fā)生高周或超髙周疲勞斷裂。

(3) 建議制造商調(diào)整活塞桿的熱處理工藝，并及時(shí)跟蹤產(chǎn)品的性能。

(4) 建議用戶在檢修期間增加活塞桿的檢驗(yàn)次數(shù)。對(duì)活塞桿長(zhǎng)度變化、安裝壓力、伸長(zhǎng)量進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，以判斷活塞桿的變形趨勢(shì)。