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压缩机活塞杆断裂失效原因分析

往复式活塞压缩机是最常用的容积式压缩机,具有制造技术成熟、压力范围广、热效率高、适应性强、排气量调节范围大、材料要求不高等优点,广泛应用于石油和化工等领域的各类气体压缩场合。活塞杆是压缩机的运动部件,其
推动活塞往复运动一次,依次完成膨胀、吸气、压缩、排气4个过程。活塞杆的主要失效形式是断裂,造成断裂的因素很多,除了疲劳载荷以外,还有加工缺陷和安装精度、介质腐蚀、结构不合理等多种因素。本文以化工生产装置的一起压缩机活塞杆断裂失效事故为例,通过检测与分析,查清造成活塞杆断裂的主要因素,为同类活塞杆断裂事故分析与改进措施提供技术引导。
 断裂的活塞杆为新替换的,材质为40CrNiMoA合金钢,由国内某厂家制造,仅仅使用了2个月就发生了断裂,寿命很短。活塞杆整个长度的较粗部分(直径φ110 mm)表面打磨光亮,左端变径小头段的侧表面明显可见加工痕迹,未发现表面热处理迹象。活塞杆断裂部位在变径小头的连接螺纹处,即在与螺帽连接的2~3螺纹扣处,活塞杆断口形貌可以看出,断口大部分区域比较平整,在断口平面的下侧有一个凹进的最后撕裂断面。活塞杆整个断口宏观形貌符合疲劳断口的形貌特征。在活塞杆断口上选区截取未受到撞击破坏的断口试样,超声波清洗干净,用扫描电镜分析断口表面微观形貌,用能谱仪检测表面化学成分。
活塞杆断口在高倍下微观形貌特征为疲劳辉纹,属于典型疲劳断裂机理。这说明活塞杆在2个月的使用过程中,螺纹根部萌生微裂纹逐渐扩展,最终造成疲劳断裂。表1断口表面成分检测结果表明,断口表面无腐蚀产物,说明活塞杆断裂与腐蚀无关。

304 不锈钢活塞杆
 
活塞杆上截取小试样,经过研磨和抛光,利用扫描电镜对试样组织进行夹杂T物评级,用能谱仪检测夹杂物成分。活塞杆金相组织可以看出,活塞杆组织分布不均匀,呈现轴向条带状分布,这是活塞杆毛坯料扎制形成的。呈现条带状分布的金相组织中,一部分区域为比较粗大的贝氏体组织,一部分区域为细小的索氏体组织,参见图9。这说明活塞杆制造过程中的热处理状态为调质热处理,但是热处理不完全,未形成全部索氏体组织,含有较脆的粗大贝氏体组织,从而降低了活塞杆的抗疲劳强度。
根据活塞杆断口的宏观和微观形貌特征,结合活塞杆的交变载荷工况,判断活塞杆断裂属于机械疲劳失效。活塞杆材质的微观组织中发现了较多的MnS非金属夹杂物,削弱了活塞杆的承载能力,再加上组织中含有较脆的粗大贝氏体组织,这些都降低了活塞杆的抗疲劳强度,从而导致活塞杆短期内就发生疲劳断裂失效。
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