往復(fù)壓縮機(jī)曲軸斷裂失效分析

李玉艷，孫振國(guó)

(1.江蘇錫壓石化裝備有限公司，江蘇 無(wú)錫 214001；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214072)

1 引言

某石化公司一臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)突然振動(dòng)連鎖停機(jī)，停機(jī)后盤車不動(dòng)，拆檢發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)曲軸拐斷裂、連桿大頭瓦損毀。該往復(fù)壓縮機(jī)為2列立式迷宮壓縮機(jī)，電機(jī)功率為185 kW，轉(zhuǎn)速為750 r/min，曲軸材料為40Cr鍛件，整體調(diào)質(zhì)處理，表面高頻淬火處理。該曲軸總服役時(shí)間不足35個(gè)月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命。

據(jù)查，該壓縮機(jī)在裝置投運(yùn)初期因氣流雜質(zhì)影響，發(fā)生了一次過(guò)載事故，導(dǎo)致膜片式彈性聯(lián)軸器的膜片和連接螺栓斷裂、壓縮機(jī)各軸承損壞，曲軸在機(jī)器內(nèi)可見(jiàn)表面未見(jiàn)明顯的損壞。經(jīng)過(guò)維修、更換損壞件后壓縮機(jī)正常運(yùn)行，但三年多的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)4次連桿大頭燒瓦的情況(含本次)，且間隔時(shí)間分別為18個(gè)月、10個(gè)月、6個(gè)月、3個(gè)月，越來(lái)越短。期間更換新大頭瓦時(shí)對(duì)曲軸頸表面做過(guò)輕微的打磨。為找出曲軸斷裂的原因，對(duì)斷軸進(jìn)行了失效分析，提出了機(jī)器修復(fù)方案和安全運(yùn)行措施，有助于企業(yè)盡快恢復(fù)生產(chǎn)、減少損失。

2 曲軸斷裂分析

2.1 斷口分析

2.1.1 宏觀斷口分析

該曲軸斷裂于電機(jī)側(cè)曲拐，約曲拐長(zhǎng)度1/4處，斷面與軸線約呈45°夾角。該軸完全斷裂成2段，斷口表面分布較多的棱，斷面痕跡同時(shí)還提示該曲拐受到了明顯的扭轉(zhuǎn)載荷，該曲拐正常工作時(shí)在潤(rùn)滑油膜的潤(rùn)滑作用下僅受到徑向載荷和較小的表面摩擦力，結(jié)合該列曲拐運(yùn)行期間多次燒瓦及換瓦前曲軸表面打磨的情況可知：該段曲拐表面受到了較大的周向摩擦力，曲拐與軸瓦之間沒(méi)能建立良好的潤(rùn)滑關(guān)系；斷面還可見(jiàn)明顯的裂紋擴(kuò)展貝紋線，提示了裂紋斷裂路徑。

該軸斷裂起源位于斷口發(fā)亮磨損嚴(yán)重部位，即約為1/4長(zhǎng)度軸頸表面處，在裂紋源周邊可以看到明顯的裂紋擴(kuò)展的貝紋線；斷口上無(wú)明顯的塑性變形痕跡，裂紋從起源區(qū)表面逐步向內(nèi)沿著圓周擴(kuò)展，除了裂紋擴(kuò)展形成的貝紋線外，擴(kuò)展區(qū)總體比較光滑而且面積較大；瞬斷區(qū)位置位于斷面的邊緣。斷口呈現(xiàn)的這些現(xiàn)象表明該曲軸斷裂失效過(guò)程受載荷較小。

2.1.2 微觀斷口分析

采用掃描電鏡對(duì)別對(duì)斷口起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)進(jìn)行微觀形貌分析。圖1為裂紋起源區(qū)，微觀形貌顯示該起源區(qū)域經(jīng)歷了嚴(yán)重的磨損；圖2為裂紋擴(kuò)展區(qū)2000X微觀形貌，可以看到該區(qū)有典型的二次裂紋；圖3為裂紋擴(kuò)展區(qū)5000X微觀形貌，可以看到該區(qū)有典型的疲勞輝紋；圖4是裂紋瞬斷區(qū)的微觀形貌，如箭頭所指，該區(qū)域也存在較多磨損。綜合上述微觀形貌判斷該曲軸的斷裂為典型的疲勞斷裂[1]。

圖1 起源區(qū)微觀形貌100X

圖2 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌2000X

圖3 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌5000X

圖4 瞬斷區(qū)微觀形貌200X

采用分析型掃描電鏡和能譜儀對(duì)裂紋起源區(qū)分析發(fā)現(xiàn)：起源區(qū)未見(jiàn)氣、縮孔，但含有很多低熔點(diǎn)雜質(zhì)Sn，如圖5、6所示。

圖5 起源區(qū)微觀形貌500X

圖6 起源區(qū)化學(xué)成分圖譜

該起源區(qū)含有的金屬雜質(zhì)Sn可能有兩種來(lái)源：一是錫基合金連桿大頭瓦磨損燒瓦后錫基金屬與曲軸表面熔合，或錫基金屬磨屑嵌入曲軸裂紋；二是曲軸本體材質(zhì)中所含金屬錫雜質(zhì)。

采用金相顯微鏡IM300對(duì)曲軸斷裂處取樣進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)定[2]，結(jié)果顯示測(cè)定處無(wú)非金屬夾雜物。

3 曲軸性能分析

3.1 曲軸材質(zhì)分析

采用臺(tái)式光譜儀對(duì)該曲軸(40Cr)近斷裂處取樣進(jìn)行材質(zhì)成分測(cè)定[3]，如表1所示，測(cè)定結(jié)果表明曲軸材質(zhì)完全符合JB/T 6908 標(biāo)準(zhǔn)[4]要求，并且材質(zhì)成分中不含金屬Sn。

表1 曲軸材質(zhì)成分表

3.2 曲軸機(jī)械性能分析

對(duì)該曲軸近芯部取樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，主要機(jī)械性能結(jié)果如表2所示，曲軸的機(jī)械性能符合JB/T 6908標(biāo)準(zhǔn)[4]要求。

表2 材料主要機(jī)械性能

3.3 金相組織分析

采用金相顯微鏡IM300(MS04)對(duì)曲軸未斷裂部分的取樣進(jìn)行了組織測(cè)定[5]，結(jié)果顯示：①曲軸材料致密性良好，未見(jiàn)微觀孔洞、裂紋等缺陷；②曲軸表面組織為隱針馬氏體，如圖7，符合該軸精加工后表面經(jīng)過(guò)高頻淬火的熱處理狀態(tài)；③曲軸芯部基體組織為索氏體，其上分布有珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+少量魏氏組織，呈帶狀分布，如圖8，該曲軸在粗加工后經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，珠光體的存在說(shuō)明調(diào)質(zhì)處理時(shí)芯部溫度不足，晶體組織未充分轉(zhuǎn)變。

圖7 表面金相組織圖500X

圖8 芯部金相組織圖500X

4 分析與討論

從上述分析結(jié)果可知該曲軸的材質(zhì)成分、機(jī)械性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織的致密性良好，但其芯部金相組織索氏體化不充分，可能因?yàn)檎{(diào)質(zhì)處理時(shí)升溫不足而含有少量珠光體。

由于曲軸力學(xué)性能和硬度已經(jīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)對(duì)未損的一列曲拐進(jìn)行外形尺寸復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)依然在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，并且從斷口分析已知裂紋起源于軸拐表面非軸肩倒圓應(yīng)力集中處，因此，可以判斷金相組織的瑕疵不是導(dǎo)致本次該曲軸斷裂的主要原因，該曲軸斷裂路線應(yīng)為：服役初期機(jī)器過(guò)載事故導(dǎo)致該曲軸電機(jī)端曲拐軸頸表面初始微損傷，隨著軸頸與大頭瓦三年多周向過(guò)度摩擦并燒瓦，瓦損顆粒導(dǎo)致軸頸面發(fā)生肉眼不易察覺(jué)的損傷或裂點(diǎn)，使得曲拐在運(yùn)轉(zhuǎn)載荷和摩擦造成的繞軸扭矩作用下擴(kuò)展直至斷裂。

5 結(jié)論與建議

(1)該曲軸斷口宏觀形貌有裂紋擴(kuò)展的貝紋線，微觀形貌呈現(xiàn)疲勞輝紋，屬于典型的疲勞斷裂失效，應(yīng)是機(jī)器首次故障及燒瓦導(dǎo)致的初始微損擴(kuò)展所致。

(2)該曲軸熱處理不足，其芯部金相組織沒(méi)有充分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，殘余帶狀分布的珠光體等組織，雖然不是本次曲軸斷裂的主要原因，但也是影響曲軸長(zhǎng)期服役的致?lián)p因素，因此該類零件的熱處理工藝或操作應(yīng)進(jìn)行改良，使其獲得合適的內(nèi)外部組織，為長(zhǎng)周期運(yùn)行提供保障。

(3)該機(jī)經(jīng)歷初期過(guò)載事故后應(yīng)拆解相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行必要的量化檢測(cè)，防止安裝狀態(tài)感性檢查的疏漏造成更多的故障。該機(jī)此次曲軸斷裂故障后返廠拆檢修理，復(fù)檢相關(guān)零部件、更換新曲軸和軸瓦，重新安裝投運(yùn)后已經(jīng)連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行19個(gè)月。