4M50型往復式壓縮機曲柄銷裂紋故障的分析及改進

趙 亮，曾廷付，余永增，謝新會，劉榮剛

（1.蘭州石化公司設備維修公司，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州石化公司煉油廠，甘肅 蘭州 730060）

某煉油廠重整加氫裝置4M50—186/2.4—8.2—82/7.2—20—BX型壓縮機是雙列雙作用臥式活塞壓縮機。該機自1999年安裝投運以來，狀況一直良好。但在2005年年底，機組因振動超標而報警，停車檢修時發(fā)現曲軸一段北缸的曲柄銷磨損嚴重，連桿大頭瓦與曲柄銷之間的配合間隙嚴重超標。對曲軸曲柄銷處采用激光熔覆技術修復后，回裝開機，運轉狀況良好。直至2007年3月，機組再次因振動超標報警，拆檢發(fā)現所修復的曲柄銷出現裂紋，進行同樣修復處理后，機組于2010年5月發(fā)生類似故障，嚴重影響裝置平穩(wěn)生產；因此需對曲柄銷裂紋產生的原因進行深入剖析，并提出改進措施。

一、故障情況

故障發(fā)生前機組機體振動劇烈，原因可能有：(1)地腳螺栓松動，機組對中偏差過大；(2)主軸軸瓦燒瓦、磨損嚴重、脫殼；(3)連桿小頭軸瓦燒瓦、脫殼；(4)十字頭配合間隙過小，滑道巴氏合金燒損；(5)十字頭配合間隙過大，連桿瓦大頭瓦間隙過大等。

對以上振動的因素進行排查，均未發(fā)現問題。據此，判斷曲柄銷裂紋和大頭瓦損壞是造成機組振動的根本原因，應對曲柄銷裂紋故障進行分析。

二、故障分析

曲柄銷裂紋故障頻發(fā)，需對曲柄銷運行過程中的受力情況進行核算，判斷其有無應力集中區(qū)。此外，對磨損后的曲柄銷表面進行過修復處理，修復后的曲柄銷表面有無缺陷是裂紋產生與否的直接原因。

1.曲柄銷受力分析

曲柄銷連桿機構的受力分析如圖1所示。往復式壓縮機工作時，活塞組件在汽缸內作往復運動壓縮氣體，活塞組件受氣體力、摩擦力和往復慣性力作用。十字頭上作用著綜合活塞力PS，PS也為連桿力PL在活塞運動方向上的一個分力（PS=PL·cosβ），連桿力PL通過連桿作用在曲柄銷上。在曲柄銷上連桿力PL又分解為曲柄銷垂直的切向力T＇和沿曲柄半徑方向的徑向力R。連桿大頭瓦和曲柄銷相互作用力的徑向分力產生的旋轉摩擦力fr，視為作用在曲柄銷處的切向力，即曲柄銷上還作用著fr形成的切向力T"。曲柄銷處的總切向力為兩切向力的總和。

隨著曲柄和連桿之間夾角的變化，曲柄銷受力大小和方向在不斷變化，為交變載荷。此外，壓縮機頻繁啟、停機，曲柄銷也受到啟動沖擊。

在壓縮機運行工況下進行復合性熱力計算和動力計算得知，壓縮機的兩級壓力比匹配合理，活塞力相差不大，未發(fā)現一級活塞力超常，動力平衡性能良好。

2.曲柄銷在修復過程中產生的缺陷

曲柄銷于2005年年底因磨損嚴重，利用激光熔覆技術對其進行過修復。經表面著色探傷，沒有問題，但熔覆層深處可能存在質量問題。原因在于：

(1)K202/A曲軸所用的材料是35CrMo，而目前激光熔覆所用的合金粉末多采用鎳基、鐵基及鈷基自熔合金粉末。熱膨脹系數的差異及各方面性能不匹配都能導致修復缺陷。

(2)激光熔覆時能量參數設定有偏差，能量密度不足以熔透預涂層，熔化部分與未熔化部分產生開裂，修復層可能存在細小的裂紋。

(3)熔覆時能量密度恰好可把預涂層熔化，由于基層界面未熔化，得不到冶金結合，并且涂層界面附近的氣孔等缺陷沒有得到充分熔合，導致熔覆層強度降低。

基于此，2010年5月故障再次發(fā)生后，對曲柄銷繼續(xù)進行修復，將修復后的熔覆層先后進行磁粉探傷和X射線無損探傷，發(fā)現少量微裂紋存在。對熔覆層進行硬度檢測時，也出現硬度不均勻現象。

3.故障分析

微裂紋的產生與激光熔覆處理后材料內部存在較大的殘余應力有關。如果基材與熔覆材料二者的膨脹系數、熱導率等差別較大，在高能激光束的作用下，很容易導致熱應力產生。此外，熔覆層的熔化和凝固過程，交界面處基材的固態(tài)相變等發(fā)生體積變化后均會產生組織應力。這兩部分綜合應力結果表現為拉應力狀態(tài)時，容易在氣孔、夾雜物尖端形成應力集中，導致微裂紋的產生。

由于修復層的厚度有限，當曲柄銷熔覆層的強度降低時，導致熔覆層的承載能力受到嚴重削弱，曲柄銷在修復時產生的內部缺陷使其局部應力過高，在交變載荷和沖擊載荷的共同作用下，這些應力高的部位就會出現細小裂紋。伴隨裂紋的產生，會引起更高的應力集中。隨著載荷的波動，這些裂紋在微觀上一開一合，沿一定截面擴展，產生疲勞破壞。裂紋擴展到曲柄銷表面中間位置時，使曲柄銷和連桿大頭瓦間不能形成連續(xù)的油膜；從而失去了油膜的減振和潤滑降溫效果，產生巨大的沖擊載荷。同時，曲柄銷和連桿大頭瓦之間的干摩擦產生大量的熱量，引起大頭瓦表面溫度過高，使連桿大頭瓦表面的巴氏合金燒損，導致振動值升高至報警值。

曲柄銷裂紋一旦產生，較強烈的軸系扭振將使連桿大頭瓦繞曲柄銷產生較大幅度的振動。一方面，導致連桿大頭瓦與曲柄銷之間油膜壓力的變化幅度增大，在軸瓦表面產生較大的附加沖擊力，使軸瓦表面在較短的運行時間內產生裂紋，并以較快的速度沿著最大切應力方向由表面向內部擴展；另一方面，連桿大頭瓦與曲柄銷之間的油膜容易破裂，使軸瓦表面產生咬粘，且由此造成的裂痕會成為新的裂紋源，并在軸瓦運行的過程中不斷擴展。這些裂紋不斷向下擴展到達軸承合金與鋼的結合面后，繼續(xù)沿著結合線擴展。當它們彼此相遇產生裂紋的再結合時，就會形成軸承合金的小塊剝落。許多小塊剝落的組合導致了軸瓦表面的大塊剝落。未被潤滑油帶走的剝落物將成為異物而起磨粒磨損作用，并使軸承間隙不斷變化，造成潤滑油泄漏，從而破壞穩(wěn)定的潤滑油膜，進一步促使軸承產生咬粘，造成連桿大頭瓦快速疲勞失效，導致振動迅速增加，最后達到機組的報警值。

可見，曲柄銷熔覆層承載能力降低、裂紋產生而導致潤滑油膜破壞是曲柄銷龜裂、大頭瓦合金層脫落、振動加劇的根本原因。

三、改進措施

如前所述，對修復后熔覆層先后進行磁粉探傷和X射線無損探傷，發(fā)現少量微裂紋存在。需對熔覆工藝、參數、熔覆層進行調整。

(1)因鎳基合金粉末含大量B、Si、C等元素，隨著高硬度硼化物、碳化物含量的增加，熔覆層的塑性下降，脆性增大，裂紋傾向也增大。據此，采用預熱和焊后熱處理，可使熔覆層內的應力松弛，防止基材的熱影響區(qū)發(fā)生馬氏體鑲邊，從而有效減少或消除裂紋。

(2)熔覆層稀釋率隨激光功率的增大而增大，功率密度較低時，基體熔深小，熔層與基體間的元素擴散大大降低，稀釋率減小，可得到細密的熔覆層組織。功率和掃描速度一定時，同種合金粉末熔覆的裂紋率隨熔覆層厚度的增加而增加，需選擇較薄的熔覆層。而送粉量和激光功率一定時，隨掃描速度的增加，熔覆層裂紋也增加；因此，盡可能采用較慢的掃描速度。改進前后熔覆工藝參數見表1。為進一步改善熔覆層的表面質量，在正式熔覆前進行小功率預熱掃描，經試驗得知較佳的預熱掃描參數為：功率800W，掃描速度300mm/min。經預熱的涂層在熔覆后的表面質量明顯優(yōu)于未經預熱的涂層，并可減少熔覆后的磨削加工量。

表1 改進前后激光熔覆的工藝參數

(3)在不影響熔覆合金性能的條件下加入稀土氧化物，得到組織細密的熔覆層，從而減少在運轉過程中曲柄銷裂紋產生及擴展的傾向。

對執(zhí)行此改進工藝所修復的曲柄銷進行金相組織檢測，對熔覆層進行顯微硬度分析，發(fā)現熔覆層與基體界面都達到了冶金結合的效果，未發(fā)現熔覆層有微裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。曲軸回裝后使用到目前，運轉情況良好。

四、結束語

加工制造或修復受交變載荷的零件時，其內部缺陷會引起應力集中，成為疲勞破壞的隱患。需通過大量試驗改進激光頭熔覆技術修復工藝和參數?；瑒虞S承的配合間隙和溫度都會對潤滑油膜剛度有影響，潤滑油膜失效則失去冷卻和緩沖減振作用，導致曲柄銷裂紋擴展并磨損失效。

[1]彭學院,暢云峰,郭蓓.容積式壓縮機[M].西安:西安交通大學出版社,2005.

[2]化工廠機械手冊編輯委員會.化工廠機械手冊通用零部件和化工機器的維護檢修[M].北京:化學工業(yè)出版社,1989.

[3]趙文軫.材料表面工程導論[M].西安:西安交通大學出版社,2003.

[4]王建軍,程衛(wèi)華,趙艷梅.激光熔覆工藝在煙氣輪機軸修復中的應用[C].全國傳熱傳質與節(jié)能技術發(fā)展研討會論文集,2008.