分享：氢气增压机活塞杆断裂原因

刘桂连,高焕丽,汤秋美,王传志 

(北京燕华工程建设有限公司,北京 102502) 

摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、力学性能测试、金相检验、扫描电镜分析等方 法对某氢气增压机活塞杆断裂原因进行研究。结果表明:活塞杆的断裂原因为原材料热处理工艺 不当,导致活塞杆的力学性能降低;在高周循环应力作用下,活塞杆发生疲劳断裂。最后提出了相 应的改进建议,以供相关人员参考。

关键词:氢气增压机;活塞杆;力学性能;热处理;疲劳断裂 中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)10-0054-04

氢气增压机组的作用是将氢气压力提高后输送 到氢气管网,供其他炼油、化工装置使用。氢气增压 机的平稳运行直接影响到其他氢气装置的安全、稳 定、长周期运行,如发生故障会造成其他装置的非计 划停车[1]。 氢气增压机为对称平衡型活塞压缩机,额定转速 为300r/min,行程为360mm。根据氢气增压机使用 说明书、图纸等技术资料可知,活塞杆前端与活塞连 接,尾端与十字头连接(见图1)。按照说明书要求将活 塞杆安装后,在弹性变形范围内,尾端部分长期承受一 定的预拉应力。工作时,尾端与活塞杆的往复运动周 期同步,再随着十字头的往复运动,其承受的周期拉应 力增加。氢气增压机工作时,活塞杆尾端应力状态在 周期拉应力+预拉应力和预拉应力之间循环往复。 

某氢气增压机在工作过程中其活塞杆发生断 裂,为了查明断裂原因,笔者对其进行了一系列理化 检验,并提出了改进措施。 

1 理化检验

1.1 宏观观察

活塞杆、止推圈、活塞杆带压力体部分宏观形貌 如图2所示。断裂活塞杆直径为51mm,活塞杆材 料为42CrMoE钢,断裂部位在其尾端,使用约2a。

止推圈材料为42CrMo钢。 活塞杆两侧断口外圆边缘均有卷边现象,边缘 存在锯齿状形貌,断口截面约有一半为平滑区,剩余 一半断面可见塑性变形。活塞杆尾端断口与止推圈 内圆面宏观形貌如图3所示。 

活塞 杆 尾 端 断 口 颈 缩 现 象 明 显,直 径 减 小 了 0.5~0.7mm。在断裂活塞杆外圆面(与止推圈内 圆面的接触部位)有磨损痕迹。 止推圈的两个半圈与活塞杆对应处有明显磨损 痕迹,磨损痕迹沿轴向长度不等,在止推圈与活塞杆 尾端接触的平端面有一圈光亮的冲击压痕,压痕有 明显的塑性变形,局部压痕有车刀纹痕迹,其他部位 未见车刀纹痕迹,压痕外圈直径与活塞杆尾端尺寸 一致,压痕的车刀纹与活塞杆车刀纹一致,压痕深度 不一致。

1.2 化学成分分析

按照 GB/T20123—2006 《钢 铁 总 碳 硫 含 量 的测 定 高 频 感 应 炉 燃 烧 后 红 外 吸 收 法》、GB/T 223.59—2008 《钢铁及合金 磷含量的测定》、GB/ T223.5—2008 《钢铁 酸 溶 硅 和 全 硅 含 量 的 测 定》、GB/T223.79—2007 《钢 铁 多 元 素 含 量 的 测 定 X-射 线 荧 光 光 谱 法(常 规 法)》、GB/T14203— 2016 《火花放电原子发射光谱分析法通则》,对活 塞杆及止推 圈 的 材 料 进 行 化 学 成 分 分 析,结 果 如 表1所示。

1.3 硬度测试 

按照 GB/T230.1—2018 《金属材料 洛氏硬度 试验 第1部分:试验方法》对活塞杆和止推圈分别 进行硬度测试,测试结果如表2所示。 1.4 力学性能测试 按照 GB/T228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》及 GB/T229—2020 《金 属材料 夏比摆锤冲击试验方法》,截取拉伸试样和 冲击试样,分别进行室温拉伸和冲击试验,结果如表 3所示。 

1.5 金相检验 

按照 GB/T13298—2015 《金属显微组织检验 方法》及 GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含 量的测定 标准评级图显微检验方法》,对活塞杆与止推圈不同位置分别进行金相检验。 (1)利用光学显微镜对活塞杆尾端端面的非金 属夹杂物与显微组织进行观察。非金属夹杂物级别 为:B类氧化铝级别,细系0.5级;D 类环状氧化物 级别,粗系0.5级。显微组织为回火索氏体+铁素 体,晶粒度等级为8级(见图4)。 (2)用光学显微镜对活塞杆尾端断口进行观 察,发现组织为回火索氏体+铁素体,断口附近外圆 表面组织为回火索氏体,组织不均匀(见图5)。 (3)用光学显微镜对止推圈内表面进行观察, 发现组织为回火索氏体+铁素体(见图6)。 

1.6 扫描电镜(SEM)分析

对活塞杆尾端断口进行SEM 分析,结果如图7 所示。由图7可知:瞬断区及其与平滑区分界线处 存在大量微裂纹;平滑区未见微裂纹;贝纹线不清 晰,疲劳辉纹方向与疲劳裂纹扩展方向一致;未发现 较集中的非金属夹杂物。

2 综合分析

起裂位置在活塞杆外圆表面附近,由外圆表面 向心部扩展,裂纹扩展到一定程度后,由一侧向另一 侧扩展。 瞬断区及其与平滑区分界线处存在大量微裂 纹,说明该处所受载荷大于极限强度,造成活塞杆先 变形后断裂,符合瞬断特征。平滑区未见微裂纹,说 明平滑区是累积损伤造成的。 由断口分析可知,该断裂属于髙周或超髙周疲 劳断裂综上所述,可以判断活塞杆的断裂过程如下所 述。 (1)活塞杆尾端部位有伸长变形,活塞杆承受 拉应力。 (2)在 工 作 过 程 中,活 塞 杆 尾 端 部 位 承 受 300次/min的拉应力交变循环载荷。 (3)由于活塞杆尾端力学性能不足,使疲劳裂 纹萌生。 (4)活塞杆表面或近表面产生微裂纹,随着交 变载荷的作用,裂纹逐渐扩展。 活塞杆尾端断口具有髙周或超高周疲劳裂纹的 特征,裂纹的起源位置与工件结构、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 匀性等有关。 (5)随着疲劳裂纹的扩展,活塞杆开始产生塑 性变形。塑性变形使活塞杆尾端与止推圈之间产生 间隙,在随后的工作过程中,活塞杆与止推圈之间相 互碰撞,并留下了接触磨损痕迹。 活塞杆硬度高于止推圈硬度,在止推圈表面产生 了明显的撞击痕迹;活塞杆与止推圈之间出现了间 隙,使撞击痕迹深度不一致,在缺口部位深度较大。 (6)当活塞杆尾端有效截面积减小到一定程 度,且拉应力大于活塞杆的抗拉强度时,发生瞬时 断裂。

3 结论及建议

(1)活塞杆材料的热处理状态未能达到标准要 求,以及热处理工艺不当,使材料强度及韧性都降 低,力学 性 能 不 足,影 响 了 活 塞 杆 的 使 用 性 能 和 寿命。 (2)活塞杆尾端受拉应力循环载荷作用,最终 发生高周或超髙周疲劳断裂。 (3)建议制造商调整活塞杆的热处理工艺,并 及时跟踪产品的性能。 (4)建议用户在检修期间增加活塞杆的检验次 数。对活塞杆长度变化、安装压力、伸长量进行准确 记录,以判断活塞杆的变形趋势。

文章来源：材料与测试网