迷宮壓縮機組合活塞裙斷裂失效分析

李玉艷

（江蘇錫壓石化裝備有限公司，江蘇無錫214001）

1 引言

某油氣公司一臺迷宮壓縮機在裝置運行一年后突然振動連鎖停機，停機后盤車不動。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，其三級活塞套進氣側(cè)有部分碎裂掉落，碎片在活塞上蓋頂部。根據(jù)現(xiàn)場反饋，該機在連鎖停機前4日由于裝置現(xiàn)場停水，機組由于Ⅲ級溫度高高聯(lián)鎖停車，后循環(huán)水供水恢復(fù)后重新開啟壓縮機。

2 活塞套斷裂分析

2.1 宏觀形貌分析

該Ⅲ級活塞組件防松螺母沒有松動跡象，活塞套表面碎裂側(cè)局部磨損量較大，碎裂對側(cè)磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)鋁材的熔連；活塞套上下壓緊端面下沉分別為1.0 mm和0.5 mm，其表面有較深的周向印痕（非整圈，每小段約30 mm左右），端面邊緣不接觸處形成銳邊；活塞套安裝側(cè)面有明顯的旋轉(zhuǎn)痕跡，斷裂位置周圍有明顯的軸向運動痕跡，局部狀態(tài)?；钊M活塞套斷裂段位于活塞上蓋安裝端面以上，經(jīng)測量，該活塞套斷裂處長約310 mm，占圓周的2/5，如圖1所示。

2.1.1 周向運動

據(jù)觀察，該Ⅲ級活塞在運行過程中活塞套與活塞上下蓋發(fā)生了相對旋轉(zhuǎn)運動，且旋轉(zhuǎn)角度不大；由于活塞套與上下蓋的結(jié)合面在旋轉(zhuǎn)研磨過程中造成活塞套（鍛鋁材料）端面材料磨損，使得結(jié)合面的殘余預(yù)緊力不足或喪失。

本活塞套在運行過程中應(yīng)有較大的扭轉(zhuǎn)力，原因為局部擦缸，因缸體及活塞套不能絕對圓，各部位客觀存在溫度差異而造成膨脹不一，所以活塞套與氣缸壁之間必然存在局部間隙差異，在特殊情況下（如超溫）便可能造成局部擦缸。本機在Ⅲ級溫度高高聯(lián)鎖停車，其連鎖溫度值為105℃（缸內(nèi)溫度超出此溫度，約為115℃），經(jīng)計算，活塞套徑向均勻膨脹值約為0.56 mm，而本活塞套與氣缸壁的總間隙為0.51 mm，從損壞的活塞套也可看出整體擦缸并局部嚴(yán)重，所以本活塞故障前的運行過程中有扭轉(zhuǎn)力作用。此扭轉(zhuǎn)力若能克服預(yù)緊形成的最大靜摩擦力便出現(xiàn)摩擦旋轉(zhuǎn)，其可能的情況為：（1）扭轉(zhuǎn)力較大；（2）殘余預(yù)緊較小。

2.1.2 軸向運動

由于相對旋轉(zhuǎn)磨損，活塞套與上下活塞蓋結(jié)合面的預(yù)緊力缺失，在往復(fù)運動中，活塞套與上下蓋發(fā)生軸向相對運動，結(jié)合端面不斷受到?jīng)_擊，造成了端面進一步凹陷；同時，由于活塞套的開裂，在運動過程中與活塞蓋振顫接觸，形成了部分軸向運動痕跡。

在交變的扭轉(zhuǎn)力及軸向沖擊力共同作用下，活塞套最大應(yīng)力處（也可能初始缺陷或損傷處）出現(xiàn)裂紋并逐漸擴展，在約3.3×106次循環(huán)后完全斷裂并頂缸振動停機。

圖1 宏觀形貌

圖2 失效部位的放大圖

2.1.3 多源疲勞斷裂[1]

活塞套斷口沒有塑性變形痕跡，據(jù)觀察可知，此活塞套失效屬于多源性失效，主斷口比較光滑，在其上可見典型的疲勞平臺形貌[2]，長約40 mm左右，見圖2（a）所示，可見此材料的失效屬于典型的疲勞斷裂。疲勞源位于活塞套內(nèi)壁直角處的應(yīng)力集中處，活塞套上未斷裂部分處R1的圓角尚且保存完好，但斷裂部位的R1角已被磨平，說明活塞蓋與活塞套內(nèi)壁在工作過程中（或故障過程中）發(fā)生了一定的偏心磨損，且在安裝端面上存在磨損程度約1 mm左右的嚴(yán)重粒子磨損痕跡，見圖2（a）箭頭所示，圖2（b）及（c）為擴展區(qū)次裂紋源形貌。

2.2 微觀分析

為弄清此活塞套過早疲勞失效的原因，對圖2（a）中的主裂紋源區(qū)進行掃描電鏡及能譜儀分析。掃描電鏡結(jié)果亦表明裂紋源起始于活塞套內(nèi)壁直角處的應(yīng)力集中處，且此處存在明顯的磨損痕跡見圖3。在主斷口上存在的疲勞條帶，亦證明導(dǎo)致此產(chǎn)品過早失效是疲勞斷裂所致，同時電鏡分析在斷口上也未見縮孔、氣孔、夾雜等材料自身缺陷。

3 材質(zhì)分析

3.1 化學(xué)成分

該活塞套設(shè)計材料為2A70，采用直讀光譜儀對失效活塞套進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，化學(xué)成分符合GB/T3190-2008《變形鋁及鋁合金加化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 金相組織

在失效活塞套的完好處取金相試樣進行組織及純凈度檢驗，結(jié)果表明，材料致密性良好，未見微觀孔洞、裂紋等缺陷，且材料的金相組織為正常2A70鋁合金的a+S相+FeNiAl9相組織，見圖4。

3.3 機械性能

對該活塞套取樣進行拉伸試驗，主要機械性能結(jié)果見表2。

本活塞套在正常工況下，迷宮外壁（筒狀）受到徑向氣體壓力，由排氣壓力遞減至進氣壓力，由于直徑1.5 mm的呼吸孔存在，長期運行中內(nèi)外壁的徑向受力達到平衡；活塞套上與活塞上下蓋貼合的安裝端面受到軸向的壓緊力和氣體力，此為活塞套的主要受力方式，經(jīng)計算，本活塞套預(yù)緊后在排氣壓力的情況下，該端面最大受力為29.9 MPa，遠小于材料的屈服極限。

4 分析與討論

從前面的分析結(jié)果可見，此活塞套化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織的致密性良好，未見明顯缺陷，機械性能也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，該活塞套材料本身并不存在導(dǎo)致其早期疲勞失效的因素。

圖3 主裂紋源形貌

表1 化學(xué)成分含量表

圖4 a+S相+FeNiA19相

表2 材料主要機械性能

由于該活塞套主斷口處的材料已經(jīng)崩落，無法觀察其內(nèi)壁磨損情況，但在圖1橢圓區(qū)標(biāo)記處與其一致的活塞套斷裂末端內(nèi)壁磨損處，存在與活塞套周向磨損犁溝分布一致的從內(nèi)向外擴展的磨削裂紋[3]，見圖5、6所示。圖5為裂紋宏觀形貌，圖6為從活塞套內(nèi)壁磨損處，從內(nèi)向外壁擴展的磨削裂紋，此類裂紋在交變應(yīng)力周期反復(fù)作用下，失穩(wěn)擴展，直至活塞套最終疲勞斷裂。

圖5 失效活塞套內(nèi)壁磨削裂紋

圖6 磨削處裂紋從內(nèi)向外擴展特征

5 結(jié)論

（1）該活塞套在故障之前出現(xiàn)局部嚴(yán)重擦缸、結(jié)合面旋轉(zhuǎn)摩擦、軸向相對運動的現(xiàn)象。

（2）活塞套斷裂屬于多源疲勞斷裂，是交變的扭轉(zhuǎn)力及軸向沖擊力的共同作用導(dǎo)致；因運行條件突變或使用不當(dāng)?shù)仍蛟斐苫钊變?nèi)壁局部區(qū)域偏心磨損且產(chǎn)生磨削裂紋，為疲勞失效的萌生提供了必要條件。

（3）活塞套材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織的致密性良好，未見明顯缺陷，機械性能也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，該活塞套材料本身并不存在導(dǎo)致其早期疲勞失效的因素。

（4）迷宮壓縮機在運行過程中，應(yīng)盡量在設(shè)計的工藝條件下運行，避免超溫超載。

（5）活塞套安裝時可適當(dāng)增大其初始預(yù)緊，使活塞在極端工況下，仍能保留較大的殘余預(yù)緊力，以盡可能避免故障發(fā)生。