4M50型往复式压缩机曲柄销裂纹故障的分析及改进

赵 亮，曾廷付，余永增，谢新会，刘荣刚

（1.兰州石化公司设备维修公司，甘肃 兰州 730060；2.兰州石化公司炼油厂，甘肃 兰州 730060）

某炼油厂重整加氢装置4M50—186/2.4—8.2—82/7.2—20—BX型压缩机是双列双作用卧式活塞压缩机。该机自1999年安装投运以来，状况一直良好。但在2005年年底，机组因振动超标而报警，停车检修时发现曲轴一段北缸的曲柄销磨损严重，连杆大头瓦与曲柄销之间的配合间隙严重超标。对曲轴曲柄销处采用激光熔覆技术修复后，回装开机，运转状况良好。直至2007年3月，机组再次因振动超标报警，拆检发现所修复的曲柄销出现裂纹，进行同样修复处理后，机组于2010年5月发生类似故障，严重影响装置平稳生产；因此需对曲柄销裂纹产生的原因进行深入剖析，并提出改进措施。

一、故障情况

故障发生前机组机体振动剧烈，原因可能有：(1)地脚螺栓松动，机组对中偏差过大；(2)主轴轴瓦烧瓦、磨损严重、脱壳；(3)连杆小头轴瓦烧瓦、脱壳；(4)十字头配合间隙过小，滑道巴氏合金烧损；(5)十字头配合间隙过大，连杆瓦大头瓦间隙过大等。

对以上振动的因素进行排查，均未发现问题。据此，判断曲柄销裂纹和大头瓦损坏是造成机组振动的根本原因，应对曲柄销裂纹故障进行分析。

二、故障分析

曲柄销裂纹故障频发，需对曲柄销运行过程中的受力情况进行核算，判断其有无应力集中区。此外，对磨损后的曲柄销表面进行过修复处理，修复后的曲柄销表面有无缺陷是裂纹产生与否的直接原因。

1.曲柄销受力分析

曲柄销连杆机构的受力分析如图1所示。往复式压缩机工作时，活塞组件在汽缸内作往复运动压缩气体，活塞组件受气体力、摩擦力和往复惯性力作用。十字头上作用着综合活塞力PS，PS也为连杆力PL在活塞运动方向上的一个分力（PS=PL·cosβ），连杆力PL通过连杆作用在曲柄销上。在曲柄销上连杆力PL又分解为曲柄销垂直的切向力T＇和沿曲柄半径方向的径向力R。连杆大头瓦和曲柄销相互作用力的径向分力产生的旋转摩擦力fr，视为作用在曲柄销处的切向力，即曲柄销上还作用着fr形成的切向力T"。曲柄销处的总切向力为两切向力的总和。

随着曲柄和连杆之间夹角的变化，曲柄销受力大小和方向在不断变化，为交变载荷。此外，压缩机频繁启、停机，曲柄销也受到启动冲击。

在压缩机运行工况下进行复合性热力计算和动力计算得知，压缩机的两级压力比匹配合理，活塞力相差不大，未发现一级活塞力超常，动力平衡性能良好。

2.曲柄销在修复过程中产生的缺陷

曲柄销于2005年年底因磨损严重，利用激光熔覆技术对其进行过修复。经表面着色探伤，没有问题，但熔覆层深处可能存在质量问题。原因在于：

(1)K202/A曲轴所用的材料是35CrMo，而目前激光熔覆所用的合金粉末多采用镍基、铁基及钴基自熔合金粉末。热膨胀系数的差异及各方面性能不匹配都能导致修复缺陷。

(2)激光熔覆时能量参数设定有偏差，能量密度不足以熔透预涂层，熔化部分与未熔化部分产生开裂，修复层可能存在细小的裂纹。

(3)熔覆时能量密度恰好可把预涂层熔化，由于基层界面未熔化，得不到冶金结合，并且涂层界面附近的气孔等缺陷没有得到充分熔合，导致熔覆层强度降低。

基于此，2010年5月故障再次发生后，对曲柄销继续进行修复，将修复后的熔覆层先后进行磁粉探伤和X射线无损探伤，发现少量微裂纹存在。对熔覆层进行硬度检测时，也出现硬度不均匀现象。

3.故障分析

微裂纹的产生与激光熔覆处理后材料内部存在较大的残余应力有关。如果基材与熔覆材料二者的膨胀系数、热导率等差别较大，在高能激光束的作用下，很容易导致热应力产生。此外，熔覆层的熔化和凝固过程，交界面处基材的固态相变等发生体积变化后均会产生组织应力。这两部分综合应力结果表现为拉应力状态时，容易在气孔、夹杂物尖端形成应力集中，导致微裂纹的产生。

由于修复层的厚度有限，当曲柄销熔覆层的强度降低时，导致熔覆层的承载能力受到严重削弱，曲柄销在修复时产生的内部缺陷使其局部应力过高，在交变载荷和冲击载荷的共同作用下，这些应力高的部位就会出现细小裂纹。伴随裂纹的产生，会引起更高的应力集中。随着载荷的波动，这些裂纹在微观上一开一合，沿一定截面扩展，产生疲劳破坏。裂纹扩展到曲柄销表面中间位置时，使曲柄销和连杆大头瓦间不能形成连续的油膜；从而失去了油膜的减振和润滑降温效果，产生巨大的冲击载荷。同时，曲柄销和连杆大头瓦之间的干摩擦产生大量的热量，引起大头瓦表面温度过高，使连杆大头瓦表面的巴氏合金烧损，导致振动值升高至报警值。

曲柄销裂纹一旦产生，较强烈的轴系扭振将使连杆大头瓦绕曲柄销产生较大幅度的振动。一方面，导致连杆大头瓦与曲柄销之间油膜压力的变化幅度增大，在轴瓦表面产生较大的附加冲击力，使轴瓦表面在较短的运行时间内产生裂纹，并以较快的速度沿着最大切应力方向由表面向内部扩展；另一方面，连杆大头瓦与曲柄销之间的油膜容易破裂，使轴瓦表面产生咬粘，且由此造成的裂痕会成为新的裂纹源，并在轴瓦运行的过程中不断扩展。这些裂纹不断向下扩展到达轴承合金与钢的结合面后，继续沿着结合线扩展。当它们彼此相遇产生裂纹的再结合时，就会形成轴承合金的小块剥落。许多小块剥落的组合导致了轴瓦表面的大块剥落。未被润滑油带走的剥落物将成为异物而起磨粒磨损作用，并使轴承间隙不断变化，造成润滑油泄漏，从而破坏稳定的润滑油膜，进一步促使轴承产生咬粘，造成连杆大头瓦快速疲劳失效，导致振动迅速增加，最后达到机组的报警值。

可见，曲柄销熔覆层承载能力降低、裂纹产生而导致润滑油膜破坏是曲柄销龟裂、大头瓦合金层脱落、振动加剧的根本原因。

三、改进措施

如前所述，对修复后熔覆层先后进行磁粉探伤和X射线无损探伤，发现少量微裂纹存在。需对熔覆工艺、参数、熔覆层进行调整。

(1)因镍基合金粉末含大量B、Si、C等元素，随着高硬度硼化物、碳化物含量的增加，熔覆层的塑性下降，脆性增大，裂纹倾向也增大。据此，采用预热和焊后热处理，可使熔覆层内的应力松弛，防止基材的热影响区发生马氏体镶边，从而有效减少或消除裂纹。

(2)熔覆层稀释率随激光功率的增大而增大，功率密度较低时，基体熔深小，熔层与基体间的元素扩散大大降低，稀释率减小，可得到细密的熔覆层组织。功率和扫描速度一定时，同种合金粉末熔覆的裂纹率随熔覆层厚度的增加而增加，需选择较薄的熔覆层。而送粉量和激光功率一定时，随扫描速度的增加，熔覆层裂纹也增加；因此，尽可能采用较慢的扫描速度。改进前后熔覆工艺参数见表1。为进一步改善熔覆层的表面质量，在正式熔覆前进行小功率预热扫描，经试验得知较佳的预热扫描参数为：功率800W，扫描速度300mm/min。经预热的涂层在熔覆后的表面质量明显优于未经预热的涂层，并可减少熔覆后的磨削加工量。

表1 改进前后激光熔覆的工艺参数

(3)在不影响熔覆合金性能的条件下加入稀土氧化物，得到组织细密的熔覆层，从而减少在运转过程中曲柄销裂纹产生及扩展的倾向。

对执行此改进工艺所修复的曲柄销进行金相组织检测，对熔覆层进行显微硬度分析，发现熔覆层与基体界面都达到了冶金结合的效果，未发现熔覆层有微裂纹、气孔、夹杂等缺陷。曲轴回装后使用到目前，运转情况良好。

四、结束语

加工制造或修复受交变载荷的零件时，其内部缺陷会引起应力集中，成为疲劳破坏的隐患。需通过大量试验改进激光头熔覆技术修复工艺和参数。滑动轴承的配合间隙和温度都会对润滑油膜刚度有影响，润滑油膜失效则失去冷却和缓冲减振作用，导致曲柄销裂纹扩展并磨损失效。

[1]彭学院,畅云峰,郭蓓.容积式压缩机[M].西安:西安交通大学出版社,2005.

[2]化工厂机械手册编辑委员会.化工厂机械手册通用零部件和化工机器的维护检修[M].北京:化学工业出版社,1989.

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[4]王建军,程卫华,赵艳梅.激光熔覆工艺在烟气轮机轴修复中的应用[C].全国传热传质与节能技术发展研讨会论文集,2008.