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1、氫氣壓縮機連桿斷裂故障分析 氫氣壓縮機連桿斷裂故障分析 2015/06/02 《化工裝備技術(shù)雜志》2015年第二期 1故障初步分析 根據(jù)機組損壞情況，初步判斷故障起因：起先由于某種因素一級活塞桿活塞鎖緊螺母斷裂，斷裂后的一級活塞鎖緊螺母在缸體內(nèi)受撞擊，造成一級缸蓋端面凹陷，巨大的撞擊力傳遞至十字頭、連桿、機身，引起這些部位嚴(yán)重?fù)p壞［1］。活塞桿及活塞鎖緊螺母是往復(fù)壓縮機上的重要部件，但不是易損件，因此問題的關(guān)鍵是什么因素造成了一級活塞桿活塞鎖緊螺母斷裂。為此特委托材料

2、研究所對各斷裂部件進行斷口宏觀、微觀分析，以驗證我們的判斷，找出斷裂的原因。 2失效部件斷口材料分析 2.1失效部件的宏觀觀察 2.1.1銷子拉緊螺栓由圖2可確認(rèn)，銷子拉緊螺栓的裂紋是從螺栓邊緣開始的，是受某一外力作用產(chǎn)生瞬間過載而起裂的，但不是一次拉斷。開裂后在約五十次的反復(fù)載荷作用下（有二次較明顯的停頓）最終導(dǎo)致斷裂。 2.1.2一級連桿由一級連桿斷口的宏觀形貌可見，斷口大部分已被沖擊損壞，從殘留的斷口上可以看到一級連桿經(jīng)過不少于三次的沖擊而斷裂，如圖3所示。第一次斷裂是從連桿的內(nèi)孔邊緣開始的。 2.1.3一級活塞桿活塞鎖緊螺母從活塞鎖緊螺母斷口邊緣形貌圖可以確定，螺母斷裂是從中

3、心孔沿徑向擴展的，如圖4所示。從活塞鎖緊螺母斷口宏觀形貌可見，斷口斷裂時間很長，操作應(yīng)力很低（和材料強度相比），斷面存在大量低應(yīng)力疲勞痕跡。斷面是在徑向離外圓面3.5mm處瞬時斷開的，如圖5所示。 2.2各失效部件的化學(xué)成分和機械性能各部件材料的化學(xué)成分如表1所示。一級連桿化學(xué)成分符合GB3077—1988標(biāo)準(zhǔn)要求值?；钊菽赴礃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該屬于42CrMo，但鉻含量超出上限。實際成分應(yīng)為42CrMoAl，Al含量達到0.96%（質(zhì)量），國標(biāo)（GB）中沒有該鋼種。各部件的硬度測定如表2所示。連桿的機械性能測定如表3所示。 2.3金相分析鎖緊螺母的夾雜物觀察如圖6所示。由圖6（a）可以看到，材料中

4、存在大量的氧化鋁夾雜，氧化鋁夾雜為3級；由圖6（b）還發(fā)現(xiàn)，材料中存在硫化錳夾雜，有些是復(fù)合夾雜物，其中硫化物夾雜為1級。鎖緊螺母的金相檢測如圖7所示。由圖7(a)、(b)的金相分析可知，其材料組織為回火索氏體組織，說明該螺母是經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的。此外，在金相組織的觀察中也可見到大量的夾雜物。 2.4掃描電鏡觀察 2.4.1銷子拉緊螺栓由圖8可見，銷子拉緊螺栓的斷口為受瞬間過載后再疲勞斷裂。 2．4.2一級連桿由圖9可見，連桿所有斷口均為外力拉斷的韌窩狀斷口。 2.4.3活塞鎖緊螺母活塞鎖緊螺母的掃描電鏡及能譜分析如圖10~圖12所示。由圖10~圖12可見，材料中存在很多的夾雜，并且在夾雜物

5、周邊存在很多微小的裂紋。 3故障原因分析 從斷裂部件斷口形貌可判斷出，三個部件中活塞鎖緊螺母裂紋開裂時間最長。從鎖緊螺母實際斷口的宏觀形貌特征上可看到，鎖緊螺母的開裂是從圓心處開始的，沿徑向擴展，一直擴展至離外部螺紋邊緣約3.5mm處后瞬間斷裂。從斷口形貌可認(rèn)為，鎖緊螺母的斷裂屬低應(yīng)力疲勞斷裂。因斷裂時間很久，斷口表面有些銹蝕。該壓縮機的活塞已運行了約二年半，若以兩年計（2008年5月~2010年6月），則運行了3.89108次（轉(zhuǎn)速370r/min），這個循環(huán)周次已超過了傳統(tǒng)疲勞周期的門檻周次了。所以按傳統(tǒng)理論來講，如果螺栓沒有缺陷，就不會發(fā)生疲勞斷裂。按傳統(tǒng)理論認(rèn)為，該螺栓只有存在缺陷

6、才有可能發(fā)生斷裂，即發(fā)生斷裂有以下幾種可能的情況：（1）斷裂部位的材料中有雜質(zhì)；（2）加工中螺紋根部殘留小刀痕；（3）熱處理時出現(xiàn)了微裂紋；（4）螺紋根部應(yīng)力集中部位在不對稱循環(huán)加載下發(fā)生損傷，形成了小裂紋。 根據(jù)前面的金相分析可知，螺母材料中存在著大量的夾雜物，特別是在螺母中心孔邊緣存在著多邊形的氧化鋁等夾雜物。從圖11和圖12中可看到，在夾雜物周邊存在多處微裂紋。因此，可以對有缺陷的情況進行斷裂力學(xué)分析。（1）受力分析由于壓縮機是在循環(huán)往復(fù)運動狀態(tài)下運行的，因此它不但承受著因曲軸回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運動而引起的拉伸和壓縮的作用，同時還承受著活塞組件重量引發(fā)的慣性力的作用。運動時不但線速度較

7、快，而且還存在著由動載荷產(chǎn)生的動應(yīng)力。正常工作時活塞鎖緊螺母所受外力有氣體壓力F1、活塞環(huán)與氣缸間摩擦力F2和往復(fù)慣性力F3，活塞鎖緊螺母上總作用力為F=F1+F2+F3。隨著活塞的排氣和吸氣，螺母上會產(chǎn)生交變載荷，即當(dāng)活塞鎖緊螺母受拉時，螺母預(yù)緊力下降。在非對稱交變載荷工況下，會產(chǎn)生最大軸向拉應(yīng)力和最小軸向拉應(yīng)力，其變形和受力周期對應(yīng)疲勞載荷而變化，如圖13所示。根據(jù)表面加工系數(shù)、有效應(yīng)力集中系數(shù)、平均應(yīng)力影響系數(shù)、螺母強度等參數(shù)，可計算出對稱循環(huán)疲勞強度。在正常工作條件下，若無材質(zhì)缺陷或其它原因，且設(shè)計人員按照相應(yīng)的安全系數(shù)進行設(shè)計，活塞螺母是不會發(fā)生疲勞斷裂的。（2）存在缺陷情況下的斷裂

8、力學(xué)計算分析根據(jù)活塞鎖緊螺母斷口的金相分析可知，其微裂紋是從夾雜物處開始的，這就是一個裂紋存在條件下的脆性斷裂力學(xué)問題。另外，對于螺母材料整體淬火后，采用不同的回火溫度進行回火時，將得到不同的許用應(yīng)力強度因子。若材料在熱處理時采用較低的溫度回火，且材料缺陷達到了一定的程度，發(fā)生斷裂的可能性是存在的。 經(jīng)測量，活塞鎖緊螺母規(guī)格為M70，材質(zhì)為42CrMo。根據(jù)疲勞操作累積理論，不同損傷量所對應(yīng)的估算壽命可由式（1）進行反推［2］，因此其對應(yīng)的最小損傷量達0.2mm時發(fā)生斷裂的疲勞循環(huán)為3.89108次。由于螺母的斷面已經(jīng)被破壞，其是否存在0.2mm的缺陷不得而知。但存在缺陷是可以肯定的。（3）

9、分析結(jié)論由于在螺母斷裂位置存在著較大的局部應(yīng)力，因此使得該區(qū)域最先形成初始裂紋。當(dāng)該初始裂紋的應(yīng)力強度因子范圍ΔK接近或達到其門檻值ΔKth時，疲勞裂紋開始擴展，直至斷裂。隨著國內(nèi)外疲勞試驗技術(shù)的不斷發(fā)展，40Cr被認(rèn)為不存在無限疲勞壽命。在低應(yīng)力超長壽命范圍內(nèi)，40Cr材料仍會發(fā)生疲勞斷裂。眾多的研究認(rèn)為，在傳統(tǒng)意義的107周次以下的疲勞范圍內(nèi)，缺口應(yīng)力集中對疲勞性能的影響程度隨疲勞斷裂周次的增加而增強，表現(xiàn)為疲勞缺口系數(shù)隨疲勞斷裂周次的增加而增大，而在107周次以上超高周疲勞范圍內(nèi)，缺口應(yīng)力集中對疲勞性能的影響程度并非如常規(guī)疲勞結(jié)果推論的那樣進一步加大，而是呈下降趨勢。缺口應(yīng)力集中對鋼疲勞

10、性能影響呈現(xiàn)階段性的特征。這與疲勞裂紋萌生機理發(fā)生變化有關(guān)。由于在108以上超長壽命區(qū)，疲勞裂紋在試樣內(nèi)部夾雜處萌生，因此缺口引起的表面應(yīng)力集中對疲勞裂紋萌生的促進作用減弱，對疲勞性能的影響也逐步下降。所以，該螺母的疲勞開裂是從夾雜物處萌生的裂紋處開始起裂的，并在低應(yīng)力下擴展，至邊緣3.5mm處引起瞬間斷裂。（4）建議根據(jù)分析筆者提出如下建議：（1）控制材料的Al含量及夾雜物等級；（2）載荷循環(huán)達107周次以后，應(yīng)適當(dāng)降低載荷水平，同時加強檢測；（3）同制造廠協(xié)商，確定適宜的鎖緊螺母安裝受力水平。 4結(jié)語 （1）這次事故是由一級活塞桿活塞鎖緊螺母因原材料夾雜引發(fā)低應(yīng)力疲勞斷裂，造成對銷子拉

11、緊螺栓某一瞬時過載，并在后續(xù)低應(yīng)力作用下，使銷子拉緊螺栓斷裂，然后引發(fā)一級連桿連續(xù)多次沖擊，最終造成連桿斷裂。（2）活塞鎖緊螺母材料為42CrMo，但Al含量達0.96%，這里Al是形成夾雜物的主要合金元素。（3）活塞鎖緊螺栓為起源于夾雜物處的低應(yīng)力超長周期疲勞開裂，疲勞載荷為活塞鎖緊螺母受拉壓力及預(yù)緊力的升降而產(chǎn)生的非對稱交變載荷，最后以剪切方式撕裂。 作者：吳文偉湯毓紅王金紅單位：上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司 上一個文章： 粉體均化過程數(shù)值計算分析下一個文章： 中間泵負(fù)荷試車振動原因