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壓縮機活塞桿斷裂失效原因分析

往復式活塞壓縮機是最常用的容積式壓縮機,具有制造技術成熟、壓力范圍廣、熱效率高、適應性強、排氣量調節范圍大、材料要求不高等優點,廣泛應用于石油和化工等領域的各類氣體壓縮場合?;钊麠U是壓縮機的運動部件,其
推動活塞往復運動一次,依次完成膨脹、吸氣、壓縮、排氣4個過程?;钊麠U的主要失效形式是斷裂,造成斷裂的因素很多,除了疲勞載荷以外,還有加工缺陷和安裝精度、介質腐蝕、結構不合理等多種因素。本文以化工生產裝置的一起壓縮機活塞桿斷裂失效事故為例,通過檢測與分析,查清造成活塞桿斷裂的主要因素,為同類活塞桿斷裂事故分析與改進措施提供技術指導。
 斷裂的活塞桿為新替換的,材質為40CrNiMoA合金鋼,由國內某廠家制造,僅僅使用了2個月就發生了斷裂,壽命很短?;钊麠U整個長度的較粗部分(直徑φ110 mm)表面打磨光亮,左端變徑小頭段的側表面明顯可見加工痕跡,未發現表面熱處理跡象?;钊麠U斷裂部位在變徑小頭的連接螺紋處,即在與螺帽連接的2~3螺紋扣處,活塞桿斷口形貌可以看出,斷口大部分區域比較平整,在斷口平面的下側有一個凹進的最后撕裂斷面?;钊麠U整個斷口宏觀形貌符合疲勞斷口的形貌特征。在活塞桿斷口上選區截取未受到撞擊破壞的斷口試樣,超聲波清洗干凈,用掃描電鏡分析斷口表面微觀形貌,用能譜儀檢測表面化學成分。
活塞桿斷口在高倍下微觀形貌特征為疲勞輝紋,屬于典型疲勞斷裂機理。這說明活塞桿在2個月的使用過程中,螺紋根部萌生微裂紋逐漸擴展,最終造成疲勞斷裂。表1斷口表面成分檢測結果表明,斷口表面無腐蝕產物,說明活塞桿斷裂與腐蝕無關。

304 不銹鋼活塞桿
 
活塞桿上截取小試樣,經過研磨和拋光,利用掃描電鏡對試樣組織進行夾雜T物評級,用能譜儀檢測夾雜物成分?;钊麠U金相組織可以看出,活塞桿組織分布不均勻,呈現軸向條帶狀分布,這是活塞桿毛坯料扎制形成的。呈現條帶狀分布的金相組織中,一部分區域為比較粗大的貝氏體組織,一部分區域為細小的索氏體組織,參見圖9。這說明活塞桿制造過程中的熱處理狀態為調質熱處理,但是熱處理不完全,未形成全部索氏體組織,含有較脆的粗大貝氏體組織,從而降低了活塞桿的抗疲勞強度。
根據活塞桿斷口的宏觀和微觀形貌特征,結合活塞桿的交變載荷工況,判斷活塞桿斷裂屬于機械疲勞失效?;钊麠U材質的微觀組織中發現了較多的MnS非金屬夾雜物,削弱了活塞桿的承載能力,再加上組織中含有較脆的粗大貝氏體組織,這些都降低了活塞桿的抗疲勞強度,從而導致活塞桿短期內就發生疲勞斷裂失效。
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