氢气压缩机连杆断裂故障分析.docx

氢气压缩机连杆断裂故障分析（化工装备技术杂志）2015年第二期1故障初步分析根据机组损坏情况，初步判定故障原因：起先由于某种因素一级活塞杆活塞锁紧螺母断裂，断裂后的一级活塞锁紧螺母在缸体内受撞击，造成一级缸盖端面凹陷，宏大的撞击力传递至十字头、连杆、机身，引起这些部位严重损坏1。活塞杆及活塞锁紧螺母是往复压缩机上的重要部件，但不是易损件，因而问题的关键是什么因素造成了一级活塞杆活塞锁紧螺母断裂。为此特委托材料研究所对各断裂部件进行断口宏观、微观分析，以验证我们的判定，找出断裂的原因。2失效部件断口材料分析2.1失效部件的宏观观察2.1.1销子拉紧螺栓由图2可确认，销子拉紧螺栓的裂纹是从螺栓边缘开场的，是受某一外力作用产生霎时过载而起裂的，但不是一次拉断。开裂后在约五十次的反复载荷作用下有二次较明显的停顿最终导致断裂。2.1.2一级连杆由一级连杆断口的宏观形貌可见，断口大部分已被冲击损坏，从残留的断口上能够看到一级连杆经过不少于三次的冲击而断裂，如图3所示。第一次断裂是从连杆的内孔边缘开场的。2.1.3一级活塞杆活塞锁紧螺母从活塞锁紧螺母断口边缘形貌图能够确定，螺母断裂是从中心孔沿径向扩展的，如图4所示。从活塞锁紧螺母断口宏观形貌可见，断口断裂时间很长，操作应力很低和材料强度相比，断面存在大量低应力疲惫痕迹。断面是在径向离外圆面3.5mm处瞬时断开的，如图5所示。2.2各失效部件的化学成分和机械性能各部件材料的化学成分如表1所示。一级连杆化学成分符合GB30771988标准要求值。活塞螺母按标准应该属于42CrMo，但铬含量超出上限。实际成分应为42CrMoAl，Al含量到达0.96%质量，国标GB中没有该钢种。各部件的硬度测定如表2所示。连杆的机械性能测定如表3所示。2.3金相分析锁紧螺母的夹杂物观察如图6所示。由图6a能够看到，材料中存在大量的氧化铝夹杂，氧化铝夹杂为3级；由图6b还发现，材料中存在硫化锰夹杂，有些是复合夹杂物，其中硫化物夹杂为1级。锁紧螺母的金相检测如图7所示。由图7(a)、(b)的金相分析可知，其材料组织为回火索氏体组织，讲明该螺母是经调质处理的。此外，在金相组织的观察中可以见到大量的夹杂物。2.4扫描电镜观察2.4.1销子拉紧螺栓由图8可见，销子拉紧螺栓的断口为受霎时过载后再疲惫断裂。24.2一级连杆由图9可见，连杆所有断口均为外力拉断的韧窝状断口。2.4.3活塞锁紧螺母活塞锁紧螺母的扫描电镜及能谱分析如图10图12所示。由图10图12可见，材料中存在很多的夹杂，并且在夹杂物周边存在很多微小的裂纹。3故障原因分析从断裂部件断口形貌可判定出，三个部件中活塞锁紧螺母裂纹开裂时间最长。从锁紧螺母实际断口的宏观形貌特征上可看到，锁紧螺母的开裂是从圆心处开场的，沿径向扩展，一直扩展至离外部螺纹边缘约3.5mm处后霎时断裂。从断口形貌可以为，锁紧螺母的断裂属低应力疲惫断裂。因断裂时间很久，断口外表有些锈蚀。该压缩机的活塞已运行了约二年半，若以两年计2008年5月2010年6月，则运行了3.89×108次转速370r/min，这个循环周次已超过了传统疲惫周期的门槛周次了。所以按传统理论来讲，假如螺栓没有缺陷，就不会发生疲惫断裂。按传统理论以为，该螺栓只要存在缺陷才有可能发生断裂，即发生断裂有下面几种可能的情况：1断裂部位的材料中有杂质；2加工中螺纹根部残留小刀痕；3热处理时出现了微裂纹；4螺纹根部应力集中部位在不对称循环加载下发生损伤，构成了小裂纹。根据前面的金相分析可知，螺母材料中存在着大量的夹杂物，十分是在螺母中心孔边缘存在着多边形的氧化铝等夹杂物。从图11和图12中可看到，在夹杂物周边存在多处微裂纹。因而，能够对有缺陷的情况进行断裂力学分析。1受力分析由于压缩机是在循环往复运动状态下运行的，因而它不但承受着因曲轴回转运动转化为往复运动而引起的拉伸和压缩的作用，同时还承受着活塞组件重量引发的惯性力的作用。运动时不但线速度较快，而且还存在着由动载荷产生的动应力。正常工作时活塞锁紧螺母所受外力有气体压力F1、活塞环与气缸间摩擦力F2和往复惯性力F3，活塞锁紧螺母上总作用力为F=F1+F2+F3。随着活塞的排气和吸气，螺母上会产生交变载荷，即当活塞锁紧螺母受拉时，螺母预紧力下降。在非对称交变载荷工况下，会产生最大轴向拉应力和最小轴向拉应力，其变形和受力周期对应疲惫载荷而变化，如图13所示。根据外表加工系数、有效应力集中系数、平均应力影响系数、螺母强度等参数，可计算出对称循环疲惫强度。在正常工作条件下，若无材质缺陷或其它原因，且设计人员根据相应的安全系数进行设计，活塞螺母是不会发生疲惫断裂的。2存在缺陷情况下的断裂力学计算分析根据活塞锁紧螺母断口的金相分析可知，其微裂纹是从夹杂物处开场的，这就是一个裂纹存在条件下的脆性断裂力学问题。另外，对于螺母材料整体淬火后，采用不同的回火温度进行回火时，将得到不同的许用应力强度因子。若材料在热处理时采用较低的温度回火，且材料缺陷到达了一定的程度，发生断裂的可能性是存在的。经测量，活塞锁紧螺母规格为M70，材质为42CrMo。根据疲惫操作累积理论，不同损伤量所对应的估算寿命可由式1进行反推2，因而其对应的最小损伤量达0.2mm时发生断裂的疲惫循环为3.89×108次。由于螺母的断面已经被毁坏，其能否存在0.2mm的缺陷不得而知。但存在缺陷是能够肯定的。3分析结论由于在螺母断裂位置存在着较大的局部应力，因而使得该区域最先构成初始裂纹。当该初始裂纹的应力强度因子范围K接近或到达其门槛值Kth时，疲惫裂纹开场扩展，直至断裂。随着国内外疲惫试验技术的不断发展，40Cr被以为不存在无限疲惫寿命。在低应力超长寿命范围内，40Cr材料仍会发生疲惫断裂。诸多的研究以为，在传统意义的107周次下面的疲惫范围内，缺口应力集中对疲惫性能的影响程度随疲惫断裂周次的增加而加强，表现为疲惫缺口系数随疲惫断裂周次的增加而增大，而在107周次以上超高周疲惫范围内，缺口应力集中对疲惫性能的影响程度并非如常规疲惫结果推论的那样进一步加大，而是呈下降趋势。缺口应力集中对钢疲惫性能影响呈现阶段性的特征。这与疲惫裂纹萌生机理发生变化有关。由于在108以上超长寿命区，疲惫裂纹在试样内部夹杂处萌生，因而缺口引起的外表应力集中对疲惫裂纹萌生的促进作用减弱，对疲惫性能的影响也逐步下降。所以，该螺母的疲惫开裂是从夹杂物处萌生的裂纹处开场起裂的，并在低应力下扩展，至边缘3.5mm处引起霎时断裂。4建议根据分析笔者提出如下建议：1控制材料的Al含量及夹杂物等级；2载荷循环达107周次以后，应适当降低载荷水平，同时加强检测；3同制造厂协商，确定适宜的锁紧螺母安装受力水平。4结语1这次事故是由一级活塞杆活塞锁紧螺母因原材料夹杂引发低应力疲惫断裂，造成对销子拉紧螺栓某一瞬时过载，并在后续低应力作用下，使销子拉紧螺栓断裂，然后引发一级连杆连续屡次冲击，最终造成连杆断裂。2活塞锁紧螺母材料为42CrMo，但Al含量达0.96%，这里Al是构成夹杂物的主要合金元素。3活塞锁紧螺栓为起源于夹杂物处的低应力超长周期疲惫开裂，疲惫载荷为活塞锁紧螺母受拉压力及预紧力的升降而产生的非对称交变载荷，最后以剪切方式撕裂。