压缩机活塞杆断裂失效分析

孟庆武，王学增，曹君臣，于心泷，余俊志

（1.东北石油大学机械学院，黑龙江 大庆163318;2.中国石油大庆石化分公司，黑龙江 大庆163000）

压缩机活塞杆断裂失效分析

孟庆武1，王学增2，曹君臣2，于心泷1，余俊志1

（1.东北石油大学机械学院，黑龙江 大庆163318;2.中国石油大庆石化分公司，黑龙江 大庆163000）

为了查明乙烯压缩机活塞杆短期断裂失效原因，针对活塞杆进行了断口分析和微观组织检测。结果表明：活塞杆断裂性质是机械疲劳，材质中夹杂物过多以及热处理不完全造成的组织缺陷，降低了活塞杆的抗疲劳强度，导致其短时间内发生疲劳断裂。

活塞杆；断裂；失效分析

1 引言

往复式活塞压缩机是最常用的容积式压缩机[1]，具有制造技术成熟、压力范围广、热效率高、适应性强、排气量调节范围大、材料要求不高等优点，广泛应用于石油和化工等领域的各类气体压缩场合。活塞杆是压缩机的运动部件，其推动活塞往复运动一次，依次完成膨胀、吸气、压缩、排气4个过程。活塞杆的主要失效形式是断裂，造成断裂的因素很多，除了疲劳载荷以外，还有加工缺陷和安装精度[2-3]、介质腐蚀[4-5]、结构不合理[6]等多种因素。本文以化工生产装置的一起压缩机活塞杆断裂失效事故为例，通过检测与分析，查清造成活塞杆断裂的主要因素，为同类活塞杆断裂事故分析与改进措施提供技术指导。

活塞杆断裂的压缩机型号为6HF2-3，意大利Nuovo Pignone公司生产，压缩机介质为乙烯，操作压力8 MPa，操作温度80℃。断裂的活塞杆为新替换的，材质为40CrNiMoA合金钢，由国内某厂家制造，仅仅使用了2个月就发生了断裂，寿命很短。

2 活塞杆断口形貌检查分析

由图1活塞杆整体侧面形貌可以看出，活塞杆整个长度的较粗部分（直径φ110 mm）表面打磨光亮，左端变径小头段的侧表面明显可见加工痕迹，未发现表面热处理迹象。活塞杆断裂部位在变径小头的连接螺纹处，即在与螺帽连接的2～3螺纹扣处，参见图2。由图2活塞杆断口形貌可以看出，断口大部分区域比较平整，在断口平面的下侧有一个凹进的最后撕裂断面。活塞杆整个断口宏观形貌符合疲劳断口的形貌特征。

3 活塞杆断口微观检测分析

在活塞杆断口上选区截取未受到撞击破坏的断口试样，超声波清洗干净，用扫描电镜分析断口表面微观形貌，用能谱仪检测表面化学成分。由图3可以看出，活塞杆断口在高倍下微观形貌特征为疲劳辉纹，属于典型疲劳断裂机理。这说明活塞杆在2个月的使用过程中，螺纹根部萌生微裂纹逐渐扩展，最终造成疲劳断裂。表1断口表面成分检测结果表明，断口表面无腐蚀产物，说明活塞杆断裂与腐蚀无关。

4 活塞杆螺纹加工形态微观分析

选取带螺纹试样，用扫描电镜分析螺纹根部表面和横截面微观形貌，查找是否存在螺纹加工缺陷。由图4和图5可以看出，活塞杆螺纹根部加工形态正常，未发现粗大加工刀痕或者其它缺陷，这说明活塞杆螺纹加工方面不存在质量问题。

5 活塞杆组织中夹杂物检测评级

在活塞杆上截取小试样，经过研磨和抛光，利用扫描电镜对试样组织进行夹杂物评级，用能谱仪检测夹杂物成分。由图6和图7可以看出，活塞杆微观组织中含有较多的条状非金属夹杂物，按照国家标准GB/T 10561-2005，条状非金属夹杂物属于A类夹杂物，评级为1.5级，材质夹杂物超标。能谱成分检测结果表明：条状非金属夹杂物的主要成分为S和Mn元素，确定为钢中常见的硫化锰夹杂物。

6 活塞杆金相组织检测分析

将上述试样用4%硝酸酒精溶液浸蚀，制备成金相试样，利用金相显微镜对试样进行金相组织分析。由图8活塞杆金相组织可以看出，活塞杆组织分布不均匀，呈现轴向条带状分布，这是活塞杆毛坯料扎制形成的。呈现条带状分布的金相组织中，一部分区域为比较粗大的贝氏体组织，一部分区域为细小的索氏体组织，参见图9。这说明活塞杆制造过程中的热处理状态为调质热处理，但是热处理不完全，未形成全部索氏体组织，含有较脆的粗大贝氏体组织，从而降低了活塞杆的抗疲劳强度。

7 活塞杆断裂原因分析与技术措施

根据活塞杆断口的宏观和微观形貌特征，结合活塞杆的交变载荷工况，判断活塞杆断裂属于机械疲劳失效。活塞杆材质的微观组织中发现了较多的MnS非金属夹杂物，削弱了活塞杆的承载能力，再加上组织中含有较脆的粗大贝氏体组织，这些都降低了活塞杆的抗疲劳强度，从而导致活塞杆短期内就发生疲劳断裂失效。

针对造成活塞杆断裂的主要因素，提出了改进的活塞杆制造技术方案，包括控制材质中非金属夹杂物含量、优化调质热处理工艺、表面渗碳/氮以及表面淬火等强化处理。按照新技术方案制造的活塞杆使用寿命延长到一年以上，为企业减少了经济损失。

[1] 郁永章，等.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 袁向东，袁辉耀，刘新尚.大型往复式真空泵活塞杆断裂失效分析与改进[J].石油化工设备，2015，44（1）：89-92. [3] 张可红，郭玉华.浅谈压缩机活塞杆断裂事故的原因[J].压缩机技术，2005，（5）：40-41.

[4] 阮鑫，阮霄羽，王成君.压缩机活塞杆过早疲劳断裂原因分析及防范措施[J].通用机械，2010，（8）：40-43.

[5] 李辉.压缩机三级活塞杆断裂故障分析[J].石油化工腐蚀与防护，2009，26：165-168.

[6] 孙计良，赵曙光.压缩机活塞杆断裂事故分析及技术改造[J].机械，2014，41（3）：68-69.

Analysis of Fracture Failure in a Compressor Piston Rod

MENG Qing-wu1,WANG Xue-zeng2,CAO Jun-chen2,YU Xin-long1,YU Jun-zhi1
(1.College of Mechanical Science&Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.PetroChina Daqing Petrochemical Company,Daqing 163000,China)

In order to find out the fracture reason of a piston rod of an ethylene compressor,the fracture and microstructure examination of the piston rod was carried out.The testing results showed that the fracture failure property of the piston rod was mechanical fatigue.Too much non-metallic inclusion in the material and microstructure defect caused by incompletely heat treatment reduced the fatigue strength of the piston rod.As a result,the piston rod fatigue fractured in a short period of time.

piston rod;fracture;failure analysis

TH457

B

1006-2971（2015）06-0054-03

孟庆武（1968-），男，教授，博士后，主要从事失效分析方面研究工作。E-mail∶qingwumeng523@163.com

2015-07-11

国家科技支撑计划项目“石油装备制造业创新技术服务平台建设”资助（2012BAH28F03）