作為一種將氫氣增壓送入石油煉化反應(yīng)系統(tǒng)的通用型流體機(jī)械裝置，新氫壓縮機(jī)在石化工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。新氫壓縮機(jī)在煉化裝置服役過(guò)程中具有進(jìn)出口壓差較大、流量較小的特點(diǎn)，且一般以往復(fù)式壓縮機(jī)為主。隨著石油產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新氫壓縮機(jī)的需求量迅速增大。大型新氫往復(fù)式壓縮機(jī)組是石化企業(yè)氣體增壓并輸送工藝介質(zhì)的石化過(guò)程裝置，其可靠性和安全性是設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。壓縮機(jī)的主要故障模式包括柱塞/ 活塞桿斷裂、曲軸斷裂、氣缸開(kāi)裂/磨損、十字頭失效/軸瓦磨損、填料密封失效、螺栓斷裂/松動(dòng)、氣閥失效等。壓縮機(jī)出現(xiàn)故障會(huì)使整套設(shè)備停機(jī)，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，重則造成生產(chǎn)安全事故。其中，活塞桿斷裂占?jí)嚎s機(jī)失效故障模式的比例高達(dá)18%?；钊麠U疲勞斷裂位置一般都是螺紋連接部位，也就是說(shuō)斷裂的原因是活塞桿產(chǎn)生裂紋后，裂紋疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致活塞桿斷裂。因此，活塞桿的失效原因主要為疲勞裂紋以及疲勞裂紋的擴(kuò)展?；钊麠U失效的原因有很多，包括高周循環(huán)應(yīng)力斷裂、熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致疲勞裂紋以及設(shè)計(jì)不合理造成應(yīng)力集中。

　　某石化企業(yè)加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)一級(jí)活塞桿發(fā)生斷裂事故，機(jī)組緊急停機(jī)處理，避免了機(jī)組二次破壞和氫氣泄漏爆炸事故。研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)及能譜分析等方法對(duì)活塞桿的斷裂原因進(jìn)行分析，以防止該類事故再次發(fā)生。

　　1 理化檢驗(yàn)

　　1.1 宏觀觀察

　　斷裂活塞桿宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：活塞桿已完全斷裂，斷裂位置為活塞桿十字頭端，裂口位于活塞桿螺紋末端收紋和過(guò)渡處。此前該壓縮機(jī)一級(jí)活塞端蓋和隔環(huán)曾發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，并且導(dǎo)致壓縮機(jī)一級(jí)氣缸或中體下沉，氣缸與中體同軸度偏離。

　　該壓縮機(jī)工作環(huán)境含有氫氣和烴類物質(zhì)，一、二、三級(jí)氣缸的吸氣壓力分別為1.22，3.2，8.0MPa，排氣壓力分別為3.3，8.18，19.68MPa，吸氣、排氣溫度分別為40，150℃，壓縮機(jī)功率為3573kW，轉(zhuǎn)速為300r/min?；钊麠U與十字頭通過(guò)螺紋連接，斷裂活塞桿直徑為120mm，材料為38CrMoAl鋼。

　　從斷口宏觀形貌看，斷口沒(méi)有受到?jīng)_擊變形，保持了原始斷裂形貌。清洗前斷口表面覆蓋較薄的氧化物和腐蝕產(chǎn)物，用煤油浸泡后再用丙酮和乙醇溶液清洗，可去除表面垢物，說(shuō)明斷口表面垢物形成時(shí)間不長(zhǎng)。清洗后活塞桿斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口總體平整光滑，沒(méi)有明顯的塑性變形和剪切唇;斷裂起源于活塞桿外表面的周向裂紋，裂紋源附近還有多條與其平行的周向裂紋;裂紋源區(qū)域已被碾壓至光滑發(fā)亮，且斷口存在明顯的以裂紋源為原點(diǎn)的放射狀條紋;裂紋擴(kuò)展區(qū)分為兩個(gè)斷裂面，裂紋首先沿45°擴(kuò)展，然后沿垂直于活塞桿軸線的平面擴(kuò)展，最后在瞬斷區(qū)斷裂，瞬斷面積較小。

　　根據(jù)斷口平整光滑、塑性變形和剪切唇不明顯、瞬斷區(qū)面積較小等特征，結(jié)合活塞桿承受交變載荷的作用，判斷活塞桿的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，且活塞桿承受的應(yīng)力不是很大，裂紋在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)以比較緩慢的速率擴(kuò)展，裂紋從萌生到最終斷裂，經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間。因此推測(cè)，該活塞桿投入使用不久，其外表面就產(chǎn)生了疲勞裂紋。

　　1.2 化學(xué)成分分析

　　在斷裂活塞桿上截取試樣，用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：活塞桿的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

　　1.3 力學(xué)性能測(cè)試

　　對(duì)斷裂活塞桿取樣，對(duì)試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度測(cè)試，結(jié)果如表2~4所示。

　　

　　由表2可知：斷裂活塞桿的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均略低于GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)38CrMoAl鋼的要求，但高于原設(shè)計(jì)材料JIS G 4303:2012《不銹鋼棒》對(duì)SUS420J2鋼的要求和GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》對(duì)3Cr13鋼的要求，

　　說(shuō)明該活塞桿材料的強(qiáng)度雖然略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，但不是導(dǎo)致活塞桿快速斷裂的主要原因;斷后伸長(zhǎng)率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　由表3可知：斷裂活塞桿的常溫沖擊吸收能量平均值為31J，低于GB/T 3077—2015對(duì)38CrMoAl鋼的要求，但略高于JIS G 4303:2012對(duì)原設(shè)計(jì)材料SUS 420J2鋼的要求和GB/T 1220—2007對(duì)3Cr13鋼的要求，說(shuō)明該活塞桿材料的沖擊吸收能量雖然低于標(biāo)準(zhǔn)要求，但不是導(dǎo)致活塞桿快速斷裂的主要原因。

　　由表4可知：斷裂活塞桿的硬度約為270 HB，高于GB/T 3077—2015對(duì)38CrMoAl鋼的要求，較高的硬度會(huì)增大材料疲勞開(kāi)裂的敏感性。

　　1.4 金相檢驗(yàn)

　　在斷裂活塞桿橫截面取樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：活塞桿材料的顯微組織為具有馬氏體位向的回火索氏體，但局部存在塊狀鐵素體和滲碳體，這可能是導(dǎo)致沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)值的原因。

　　1.5 掃描電鏡和能譜分析

　　在裂紋源區(qū)截取試樣，將試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察，并對(duì)其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋起源于活塞桿外表面，該區(qū)域斷口已被反復(fù)碾壓為平整光滑的斷面;裂紋源區(qū)的主要成分為金屬和金屬氧化物，無(wú)其他腐蝕產(chǎn)物及夾雜物。

　　在裂紋擴(kuò)展區(qū)截取試樣，將試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察，并對(duì)其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。

　　由圖5可知：裂紋擴(kuò)展區(qū)呈解理斷裂形貌特征，可觀察到二次裂紋和碾壓特征;裂紋擴(kuò)展區(qū)的主要成分為金屬和金屬氧化物，無(wú)其他腐蝕產(chǎn)物及夾雜物。

　　圖6為斷裂活塞桿裂紋瞬斷區(qū)SEM 形貌與能譜分析結(jié)果。由圖6可知：瞬斷區(qū)呈準(zhǔn)解理和撕裂形貌;斷口上主要成分也為金屬和金屬氧化物，無(wú)其他腐蝕產(chǎn)物。

　　2 綜合分析

　　斷裂起源于活塞桿外表面的周向裂紋，裂紋自裂紋源啟裂后，首先沿45°擴(kuò)展，然后沿垂直于活塞桿軸線的平面擴(kuò)展，最后在瞬斷區(qū)斷裂，瞬斷區(qū)面積較小。從斷口為陳舊性斷口、斷口表面平整光滑、斷口上沒(méi)有明顯的塑性變形和剪切唇、瞬斷區(qū)面積較小等特征，結(jié)合活塞桿承受交變載荷作用，判斷活塞桿的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，且活塞桿承受的應(yīng)力不是很大，裂紋在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)以比較緩慢的速率擴(kuò)展，直到最終斷裂，經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間。因此推測(cè)，該活塞桿投入使用不久，外表面就產(chǎn)生了疲勞裂紋。

　　斷裂活塞桿的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略低于GB/T 3077—2015對(duì)38CrMoAl 鋼的要求;斷裂活塞桿的常溫沖擊吸收能量的平均值為31J，低于GB/T 3077—2015 對(duì)38CrMoAl鋼的要求;而斷后伸長(zhǎng)率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷裂活塞桿材料的強(qiáng)度和沖擊性能偏低，雖然會(huì)影響活塞桿的疲勞壽命，但不是導(dǎo)致活塞桿快速斷裂的主要原因。

　　斷裂活塞桿材料的硬度約為270HB，高于標(biāo)準(zhǔn)要求，較高的硬度會(huì)增大材料疲勞開(kāi)裂的敏感性。

　　裂紋起源于活塞桿外表面，在較大的彎曲應(yīng)力作用下，裂紋呈撕裂狀快速擴(kuò)展，斷口呈準(zhǔn)解理和撕裂形貌;當(dāng)裂紋擴(kuò)展后，彎曲應(yīng)力消除，斷口呈明顯低應(yīng)力高周疲勞斷口特征形貌，進(jìn)一步說(shuō)明了該活塞桿斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。上述裂紋的擴(kuò)展特征是與活塞桿的受力狀態(tài)變化相關(guān)的，該壓縮機(jī)一級(jí)氣缸或中體已下沉，氣缸與中體同軸度偏離。在活塞桿的更換過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)氣缸或中體下沉狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，說(shuō)明斷裂活塞桿是在氣缸與中體同軸度偏離的狀態(tài)下運(yùn)行的。正是由于氣缸與中體同軸度偏離，活塞工作時(shí)才上下擺動(dòng)，使活塞桿十字頭側(cè)螺紋末端受到較大的循環(huán)彎曲應(yīng)力作用，并首先在活塞桿外表面萌生多條疲勞裂紋，其中一條裂紋沿應(yīng)力集中較大的末圈螺紋擴(kuò)展，直至活塞桿斷裂。

　　綜合上述分析，認(rèn)為該活塞桿斷裂的主要原因是一級(jí)氣缸或中體下沉，以及氣缸與中體同軸度偏離。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　某石化企業(yè)加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)一級(jí)活塞桿斷裂性質(zhì)屬于疲勞斷裂，斷裂的主要原因是一級(jí)氣缸或中體下沉，氣缸與中體同軸度偏離;次要原因是該活塞桿材料的強(qiáng)度和沖擊性能偏低，硬度偏高，縮短了活塞桿的疲勞壽命。


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