石油化工企業(yè)壓縮機活塞桿失效分析理論基礎

唐 敏

（中國石油化工總公司，廣東 廣州 510725）

引言

壓縮機活塞桿失效是石油化工企業(yè)常見的機械故障問題，本文分析了活塞桿失效的基礎理論，內(nèi)容包括三個方面：疲勞損傷機理；活塞桿失效分析方法選擇；活塞桿失效影響因素分析，主要目的是為開展活塞桿故障模型的建立與試驗提供理論基礎。

1 疲勞損傷理論

材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細微裂紋進而導致?lián)p傷擴展的結(jié)果，被稱為疲勞損傷。循環(huán)應力導致材料不斷損傷，這個疲勞損傷過程不斷積累，使得材料壽命不斷減少，直至材料完全損傷[1]。機械零件在使用時，必須考慮其強度、剛度和疲勞損傷，疲勞損傷是當前機械故障的重要原因。微觀角度來說，疲勞裂紋和微觀組織塑變關系密切。宏觀角度來說，機械應力較小時，主要發(fā)生彈性應變，彈性應變時機械使用壽命較長，這稱為應力疲勞；當應力較大時，機械會發(fā)生塑性應變，機械壽命會縮短，這稱為應變疲勞[2]。

2 活塞桿失效分析方法選擇

失效分析指對失效事故進行分析，來判斷失效的原因，并提出預防和整改措施，其中喪失規(guī)定功能的制件稱為失效件。

按照構(gòu)件的失效速度進行分類，失效可以分為突發(fā)失效、漸進失效和間歇失效。以失效的技術(shù)觀點進行分類，失效可以分為有三種：變形失效、表面損傷失效及斷裂失效，其中斷裂失效危害性最大，是本文研究的重點。具體失效類型如下。

2.1 失效分析程序的確定

對一個失效件的分析內(nèi)容有很多，為了保證分析的準確性，防止后續(xù)分析的結(jié)果受到前面分析的影響，作者需要制定詳細的失效分析步驟，最終確定失效分析的程序如下：

1）失效事件的調(diào)查；

2）失效樣品的收集與保管；

3）失效樣品的背景資料調(diào)查分析；

4）制定失效分析方案；

5）試驗分析。

試驗分析應有具體的試驗內(nèi)容和過程，本文主要對失效樣品的試驗分析包括：宏觀分析；微觀分析；材質(zhì)分析；制造質(zhì)量分析；綜合分析最終得到試驗結(jié)果。

對以上各試驗分析所得的結(jié)果進行綜合分析，判定失效件的失效模式及原因，完成失效分析報告。

針對失效件發(fā)生失效的原因及模式，提出改進措施，并將改進方法措施反饋到生產(chǎn)中去，在生產(chǎn)中驗證分析結(jié)果，并再次改進，避免類似的失效事件再次發(fā)生，達到失效分析的最終目的。

2.2 失效分析方法選擇

失效分析技術(shù)是指在失效分析過程中采用的技術(shù)和手段。失效分析技術(shù)種類很多，但總體上可以概括為兩類：破壞性的和非破壞性的。具體來說失效分析技術(shù)包括以下幾種：感官檢查診斷技術(shù)、痕跡分析技術(shù)、斷口分析技術(shù)、化學成分分析技術(shù)、力學性能測試技術(shù)、無損檢測技術(shù)、殘余應力測試等。

2.3 活塞桿斷裂失效機理分析

活塞桿斷裂失效在各種失效形式中危害最大，有常見性和突發(fā)性的特點。斷裂失效按照機理可以分為塑性斷裂、脆性斷裂、應力腐蝕斷裂、疲勞斷裂等[3]。

2.3.1 塑性斷裂

塑性斷裂是指有較好韌性的材料所承受的載荷超過材料的抗拉強度時所發(fā)生的斷裂，在斷裂之前材料產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，塑性斷裂過程很緩慢。塑性變形的形式和大小與材料的性質(zhì)和所受的應力有關，這是因為在斷裂的過程中進行塑性變形需要消耗能量。

2.3.2 脆性斷裂

脆性斷裂是指在斷裂之前沒有或很少發(fā)生塑性變形，當裂紋擴展到一定程度時發(fā)生瞬間斷裂的一種斷裂事故。脆性斷裂沒有預兆，因此其危險性最大。脆性斷裂按脆斷原因可分為材質(zhì)脆斷、應力脆斷、工藝脆斷和環(huán)境脆斷；按斷裂的形式分為兩種：沿晶脆斷和穿晶解理脆斷[4]。

2.3.3 應力腐蝕斷裂

應力腐蝕斷裂是構(gòu)件在靜載拉應力和特定的腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的脆性斷裂。應力腐蝕斷裂斷口的宏觀特征一般為顆粒狀，斷口平齊，與主應力垂直，無明顯塑性變形，斷口常常被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，顏色灰暗，裂紋萌生區(qū)域微觀上有泥紋狀花樣。

2.3.4 疲勞斷裂

疲勞斷裂是構(gòu)件在交變應力作用下發(fā)生的斷裂。疲勞斷裂在各種斷裂失效中最常見，危害性最大。人們對其發(fā)生的原因及機理的研究也最重視。

3 活塞桿失效影響因素分析

隨著工作載荷的變化，活塞桿構(gòu)件疲勞會受如下因素影響。

3.1 應力集中因素

研究表明，活塞桿構(gòu)件幾何形狀突變處的部分區(qū)域，應力顯著增加，而遠離這些區(qū)域，應力又趨平緩，這就是活塞桿失效的應力集中因素[5]。

3.2 尺寸變化因素

因應力梯度關系，活塞桿的失效強度會隨其尺寸的增大而降低。

3.3 表面狀態(tài)因素

機械表面往往是最大應力常出現(xiàn)的地方，往往也是疲勞裂紋出現(xiàn)的地方。

3.4 載荷頻率因素

活塞桿強度受載荷頻率的影響，和試樣處于最大載荷下的時間有關。因塑性變形在應力之后，最大應力作用時間越長，強度越高。在室溫下的加載頻率，一般對活塞桿的疲勞極限沒有明顯的影響。

3.5 熱處理工藝因素

研究表明，機械零件在高溫時快速冷卻，其表面可形成殘余壓應力，在熱處理時，零件缺口處的殘余壓應力會使強度提高30%左右，而缺口的殘拉應力反而使強度降低30%左右。但實踐表明，有時快速冷卻淬火又會使機械構(gòu)件表面產(chǎn)生裂紋。究竟熱處理對活塞桿失效的影響如何，還需要在實踐中不斷總結(jié)。

3.6 材料性能因素

在特定條件下，活塞桿疲勞極限與抗拉強度關聯(lián)性較好，因此，在研究數(shù)據(jù)缺少、且無條件進行強度試驗時，可以用抗拉強度的數(shù)值來近似估算活塞桿疲勞極限[6-7]。

3.7 平均應力因素

相關試驗表明，平均應力和疲勞強度成反比。即拉伸平均應力會使疲勞強度降低，活塞桿壽命降低；壓縮平均應力會使疲勞強度增加，活塞桿壽命增加[8]。

4 結(jié)語

活塞桿失效的因素有很多，失效分析方法的選擇很重要。合理的失效分析方法，不僅能快速找到壓縮機活塞桿失效的原因，對失效問題的快速解決幫助很大，對石油化工企業(yè)設備的正常運行及安全生產(chǎn)意義重大。文章通過對壓縮機活塞桿失效的基礎理論分析，為后續(xù)相關實驗研究提供理論、方法、技術(shù)和具體的操作步驟。