高压往复式压缩机活塞杆断裂分析.docx

文章编号 : 1673 - 193x(2005) - 04 - 0086 - 04高压往复式压缩机活塞杆断裂分析张德华(扬子石油化工股份有限公司芳烃厂 ,南京 210048)摘 要 :往复式压缩机活塞杆断裂极易造成机组的二次破坏和严重的泄漏 、爆炸事故 ,是化工装置安全生产的重大隐患 ,本文通过对一起加氢裂化高压压缩机的活塞杆断裂的宏观及微观分析 ,表 明活塞杆断裂失效的主要原因是疲劳断裂和热处理不当 ;氢腐蚀是促进疲劳裂纹形成和扩展的重要原因 ,加速了疲劳断裂过程 ;通过对材料进行光谱分析 ,表明材料中 si 含量严重超标 ,这对活塞杆的疲劳断裂过程也有一定的影响 。并从设计 、制造 、使用 、维护多方面提出相应的改进预防措 施 。关键词 :往复式压缩机 ;活塞杆 ;疲劳断裂 ;热处理 ;氢腐蚀 ;预防中图分类号 : tq051. 21文献标识码 : area son analysis on fracture of the piston rob f or high press reciprocating compressorzhang de2hua( yangzi petrochemical . co . ltd. aromatic plant , nanjing 210048)abstract : fracture of the piston rob for high press reciprocating compressor to cause easily second harming compressor ,serious leakiness and the blast accident . it is the great hidden trouble with work safty. by means of macroscopic and mi2 crocosmic examination , this paper showed that the main reasons caused the fracture of the piston rob was fatigue fracture and improper heat treatment . the hydrogen corrosion is important reason of forming , expending fatigue crack and acceler2 ating the fatigue split process. adopting the spectrum analysis of the material , a high overrun si content has certainly the influence on fatigue splits of piston rod. some improvements and preventive measures were proposed from the fields of de2 sign , fabrication , application and maintenance .key words : reciprocating compressor ; piston rob ; fatigue fracture ; heat treatment ; preventive measures2003 年 1 月 19 日 ,某厂加氢裂化装置高压氢气增压压缩机 gb102a 一段活塞杆在活塞与活塞杆连 接处突然发生断裂 ,引起撞缸 ,气缸盖法兰松动 ,造 成高压氢气大量外泄 。由于工厂人员及时发现 ,迅 速停机 ,关闭压缩机进出口阀门 ,避免了机组二次破坏和氢气泄漏爆炸事故 。用对动型 。该压缩机于 1989 年 9 月投用 ,机组 1994年检修时一段活塞杆更换新件 。压缩机的活塞杆在 工作过程中主要承受较大的交变拉 - 压应力和较小 的弯曲 、扭转应力的作用 , 使用材质为 c35n 钢 , 按 要求应该进行调质处理 。gb102a 主要性能参数见表 1 , 活塞杆主要参数见表 2 , 活塞杆材质 c35n 钢 化学成分及机械性能见表 3 。1设备概况活塞杆断裂情况2gb102a 型号为 2 h25b38s , 型式两缸二级 双 作断裂发生在活塞杆螺纹处 ,该处为活塞杆与活塞背帽连接螺纹旋合第一圈 ,断裂面与活塞杆轴线 约呈 45角 (见图 1) 。收稿日期 : 2005206208第 4 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术87 表 3 c35 n 钢化学成分及机械性能化学成分/ %机械性能屈服极限 s抗拉强度 b伸长率 420n/ mm2620670n/ mm217 %csi mn p01320139011501350160018001045图 1 活塞杆断裂位置图表 1gb102a 主要性能参数 s 01045 项目设计参数最终瞬断区的面积比较小 ,显示该活塞杆在强度设计上面不存在问题 。 根据断裂活塞杆的断裂面与活塞杆轴线约呈45角 ,断裂裂纹在活塞杆表面螺纹根部形成 , 并沿径向均匀地向活塞杆中心扩展 ,最终瞬断区在活塞 杆心部 ,显示出活塞杆呈现明显的疲劳断裂特征 。型号工作流量 (体积) 额定功率 转速惯性矩 介质组成2h25b38s43000nm3 / h2500 kw426 rpm8100 kg/ m293146 %h2 3175 %ch4 1176 %c2 h6 (mol)514 mpa一段吸入压力919 mpa二段一段919 mpa3失效原因分析排出压力1615 mpa二段一段40 为了寻找压缩机活塞杆的断裂原因 ,我们从宏观和微观断口形貌 、材料金相组织及化学成分分析 等方面对活塞杆失效原因进行分析 。3 . 1 宏观断口形貌分析压缩机活塞杆端口的宏观形貌见图 2 。断口呈 灰色 ,比较平整 ,断口表面与活塞杆轴线约呈 45角 , 无明显残余塑性变形 。断口表面局部可见因裂纹扩 展的不 连 续 性 而 造 成 的 众 多 细 小 台 阶 ( 即 河 流 花 样) ,河流花样的上游即指向裂纹源 。从断口取样放大的图可以看出 ,裂纹源位于活塞杆表面螺纹的根 部 ,并由表面向内扩展 。根据断口表面比较平整且 塑性变形痕迹比较少等特点 ,可以判断裂纹在相当 长的时间内是以比较缓慢的速度扩展 ,结合活塞杆 交变的 工 作 应 力 状 态 , 活 塞 杆 的 断 裂 属 于 疲 劳 断吸入温度二段60 一段100 排出温度二段120 一段42 %相对湿度二段60 %表 2gb102 a 活塞杆主要参数项目一段二段设计最大活塞力活塞直径 活塞杆直径活塞杆长度 活塞杆速度 活塞行程 活塞杆材质活塞/ 活塞杆连接1000000n375mm175mm2921mm315m/ s250mm c35n m115 41000000n375mm175mm2921mm315m/ s250mm c35n m115 4裂1 ,2。图 2断口宏观照片88 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 1 卷3 . 2微观断口形貌分析步认定活塞杆属于疲劳断裂 。值得注意的是 ,在断口表面还发现许多孔洞 ,其直径约 50m ,在裂纹源 和裂纹的稳态扩展区中均可发现这类孔洞 ,显然 ,这 些孔洞的存在 ,无论对裂纹的形成 ,还是对裂纹的扩 展 ,都起到了加速的作用 。活塞杆断口表面的微观形貌见图 3 。在照片中发现呈平行分布的疲劳条纹 ,并存在少量韧性撕裂 痕迹 ,疲劳裂纹扩展方向指向活塞杆轴心 ,可以进一图 3 断口微观形貌 sem 照片碳钢在高温高压的氢气环境中使用时 ,钢中的3 . 3金相组织分析碳和渗碳体 ( fe3 c) 会和氢气发生如下反应 1 ,3c + 2 h2 ch4fe3c + 2 h2 3fe + ch4反应生成的甲烷 ( ch4 ) 气体会在碳钢基体内部 形成许多高压气泡 ,并沿气泡周围形成微裂纹 ,造成 不可 逆 的 氢 损 伤 ( 或 氢 腐 蚀 ) 。对 碳 钢 而 言 , 在100 以上的氢气的环境中工作即可产生氢损伤 ,氢 损伤不但会导致微裂纹的形成 ,还会降低材料的塑 性 、增大材料的脆性 ,这一点从断口表面脆性的河流 花样特征就可以证明 。断口分析结果表明 ,活塞杆断口属于疲劳断口 ,氢损伤是促进疲劳裂纹形成和扩展的重要原因 。:活塞杆金相组织分析照片见图 4 , 为铁素体和珠光体组织 ,晶粒度约 7 级左右 。显然 ,从组织组成 和晶粒度等级可以发现 ,该活塞杆未经调质处理 ,只进行了正火处理 。在金相组织分析过程中 ,同样发 现钢中存在大量气泡 ,并且在气泡周围发现了脱碳 层 。这主要是由于钢中的碳和氢气会发生反应生成 甲烷 ,导致气泡周围钢中的碳浓度降低 ,从而形成脱 碳层 ,脱碳层的存在将造成气泡周围钢基体的强度下降 。在高压气泡内部应力的作用下 ,诱发微裂纹 在气泡周围形成 ,高压气泡内部压力也使得其周围 的脱碳层发生塑性变形 , 并 产 生 加 工 硬 化 。显微硬图 4 金相显微组织照片第 4 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术89 度 测 试 结 果 表 明 , 气 泡 周 围 脱 碳 层 的 硬 度 高 达333 hmv ,几乎比基体钢的硬度 ( 194 hmv) 增加了将 近一倍 ,脱碳层的加工硬化致使脱碳层的塑性下降 、 脆性增大 ,同样也会促进疲劳裂纹的形成和扩展 。对活塞杆材料进行能谱成分分析 ( eds) , 结果(见图 5 ,) 表明钢中除 si 和少量的 al 外 ,不含有其 他合金元素 ,而硅是促进脱碳倾向的合金元素 ,在钢 中的含量高达 3155 % ( 见 图 6) , 属 于 严 重 超 标 。si 含量严重超标是继高温 、高压氢气环境外 ,氢气气泡 周围脱碳层形成的第二大影响因素 ,最终也会影响到活塞杆的疲劳断裂过程 。塞杆的综合机械性能低于设计要求 ,活塞杆抗疲劳能力下降 。这是活塞杆发生疲劳断裂的主要原因 。(3) 高压甲烷气泡及其周围形成的脱碳层等氢 损伤 (氢腐蚀) 加速了疲劳断裂过程 。(4) 钢中 si 元素含量严重超标对活塞杆的疲劳 断裂过程也有一定的影响 。改进预防措施5(1) 严格控制活塞杆材料有害元素 ,活塞杆锻件应检查化学成份 ,si 含量应小于 0145 % , p 含量应 小于 014 % 。在 调 质 处 理 后 检 查 机 械 性 能 b 784n/ mm2 ,s 588 n/ mm2 , 伸 长 率 17 % , hb :241 - 277 。(2) 粗加工后应进行超声波探伤 ,精加工前要 做磁粉探伤 ,不得有裂纹存在 。(3) 活塞杆一定要进行调质处理 。调质处理能 有效提高材料的疲劳强度 ,象活塞杆这样承受交变 载荷的重要构件必需进行调质处理 。调质处理后必 须进行硬度检查2 ,4 。(4) 活塞杆螺纹必须采用挤压加工 ,挤压螺纹 由于螺纹表层沿牙形连续分布的纤维组织 、残余压应力和较低的表面粗糙度的作用 ,这样可明显提高 活塞杆的疲劳强度和使用寿命 。(5) 在使用过程中 ,应制定活塞杆定期检测制 度 。检查时应打开活塞 ,使用超声波检测活塞杆内 部有无缺陷 ,使用着色探伤检查活塞杆表面有无微裂纹 。重点检查螺纹部位有无损伤 。(6) 安 装 时 , 要 采 取 有 效 措 施 , 防 止 碰 伤 活 塞 杆 。安装活塞杆背帽前 ,必需彻底清洗活塞杆及背 帽螺纹 ,彻底清理螺纹内杂物 ,涂抹螺栓防咬合剂 。图 5活塞杆化学成份各元素 eds 谱线参考文献1吴望周 . 化工设备断裂失效分析基础 . 中国化工学会教育工作委员会 , 1991 , (6)李洪升