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1、氫氣壓縮機(jī)連桿斷裂故障分析
氫氣壓縮機(jī)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(jī)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(jī)身,引起這些部位嚴(yán)重?fù)p壞[1]?;钊麠U及活塞鎖緊螺母是往復(fù)壓縮機(jī)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(jìn)行斷口宏觀、微觀分析,以驗(yàn)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(kuò)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(shí)間很長,操作應(yīng)力很低(和材料強(qiáng)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(shí)斷開的,如圖5所示。
2.2各失效部件的化學(xué)成分和機(jī)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。活塞螺母按標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該屬于42CrMo,但鉻含量超出上限。實(shí)際成分應(yīng)為42CrMoAl,Al含量達(dá)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(jī)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(gè)部件中活塞鎖緊螺母裂紋開裂時(shí)間最長。從鎖緊螺母實(shí)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(kuò)展,一直擴(kuò)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(shí)間很久,斷口表面有些銹蝕。該壓縮機(jī)的活塞已運(yùn)行了約二年半,若以兩年計(jì)(2008年5月~2010年6月),則運(yùn)行了3.89108次(轉(zhuǎn)速370r/min),這個(gè)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(huì)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(shí)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(jìn)行斷裂力學(xué)分析。(1)受力分析由于壓縮機(jī)是在循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行的,因此它不但承受著因曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)而引起的拉伸和壓縮的作用,同時(shí)還承受著活塞組件重量引發(fā)的慣性力的作用。運(yùn)動(dòng)時(shí)不但線速度較
7、快,而且還存在著由動(dòng)載荷產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。正常工作時(shí)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(huì)產(chǎn)生交變載荷,即當(dāng)活塞鎖緊螺母受拉時(shí),螺母預(yù)緊力下降。在非對稱交變載荷工況下,會(huì)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(qiáng)度等參數(shù),可計(jì)算出對稱循環(huán)疲勞強(qiáng)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(jì)人員按照相應(yīng)的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),活塞螺母是不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂的。(2)存在缺陷情況下的斷裂
8、力學(xué)計(jì)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(gè)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(jìn)行回火時(shí),將得到不同的許用應(yīng)力強(qiáng)度因子。若材料在熱處理時(shí)采用較低的溫度回火,且材料缺陷達(dá)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(jìn)行反推[2],因此其對應(yīng)的最小損傷量達(dá)0.2mm時(shí)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(qiáng)度因子范圍ΔK接近或達(dá)到其門檻值ΔKth時(shí),疲勞裂紋開始擴(kuò)展,直至斷裂。隨著國內(nèi)外疲勞試驗(yàn)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(huì)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(qiáng),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(jìn)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(jī)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(jìn)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(kuò)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(dá)107周次以后,應(yīng)適當(dāng)降低載荷水平,同時(shí)加強(qiáng)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(shí)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(dá)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
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