压缩机压阀罩断裂失效分析

2016-12-26 02:20初泰安

化工机械 2016年6期

关键词：压阀共晶端面

初泰安

(中国石化长城能源化工(宁夏)有限公司)

压缩机压阀罩断裂失效分析

初泰安*

(中国石化长城能源化工(宁夏)有限公司)

某公司芳烃重整装置往复式压缩机中压阀罩在使用两个月后出现开裂。为查明失效原因，通过SEM、金相观察及有限元分析等方法进行检验分析。结果表明：压阀罩受力过大是引起开裂的主要原因，材料内部磷共晶含量偏高和石墨分布不均加剧了开裂。

压缩机压阀罩失效分析有限元铸铁

某公司芳烃厂往复式压缩机(型号2D10)中压阀罩在使用两个月后出现变形开裂，影响压缩机正常运行。为查明失效原因，对压阀罩开裂原因进行分析[1～5]。

压阀罩为压缩机内部零件，材料为HT250，其上下端面分别与法兰和外壳接触，被法兰压紧。法兰上均布12个规格为M30的螺栓，每个螺栓紧固扭矩为1 260N·m，发生变形开裂后，螺栓扭矩降为900N·m。

1 宏观形貌分析

失效后的压阀罩如图1所示。下端面周向上均匀分布6条轴向裂纹，长度基本一致，裂纹贯穿内外壁。在压阀罩环向变截面处，沿周向均匀分布沿环向扩展的裂纹，裂纹长度接近压阀罩中部开孔宽度。

图1 压阀罩宏观照片及局部取样位置

2 断口分析

在失效后的压阀罩上进行取样，因轴向和环向裂纹在圆周上均匀分布，位置和长度基本一致，故取典型的轴向(1#)和环向(2#)裂纹试样各一处，取样位置如图1所示。

对两处试样断面进行观察发现：断口表面无明显塑性变形，有明显的人字或山形条纹，为典型的脆性断裂特征；断口表面氧化生锈，1#试样氧化程度从压阀罩下端面沿轴向逐渐减轻，在裂纹末端可见新鲜的金属光泽，说明其启裂位置为压阀罩下端面；1#、2#试样裂纹靠近外面处氧化程度大于内表面，说明裂纹从外部启裂，沿厚度方向向内扩展。

利用扫描电镜(SEM)对裂纹断面进行扫描，结果如图2所示。

a.1# ×200

b. 2# ×100

扫描电镜下可见断面表面有氧化物附着，断面上可见解理面和小韧窝，可判定断口为混合断裂，以脆性断裂为主。较高倍率下可以看到断口表面呈冰糖状的完整晶粒面，可判断断口为沿晶断裂。

3 金相分析

GB 4739-2010中规定HT250为珠光体类型的灰铸铁，其金相组织应为片状石墨+珠光体。片状石墨长度4～5级，无定向分布，其含量占基体的4%～7%，珠光体为细片状，二元磷共晶少于2%。

对压阀罩上取得的试样进行打磨、抛光，浸蚀前、后使用光学显微镜进行观察。结果如图3所示。光镜下观察可见试样内石墨为无方向性片状A型石墨，但分布不均，部分石墨粗大，存在石墨块；石墨长度均为3级，低于标准规定，这将使铸铁硬度、强度偏低，力学性能下降。浸蚀后的试样基体组织为细片状珠光体，同时存在孤立块状二元磷共晶，其含量多于2%，磷共晶数量为2级。基体中存在二元磷共晶且含量过多，易引起基体开裂，在应力作用下不断扩展，导致最终开裂失效。

a. 浸蚀前 ×100 b. 浸蚀后 ×100

4 受力分析

在压缩机中，压阀罩上端面被法兰压紧。该法兰上均布12个规格为M30的螺栓，每个螺栓上的拧紧力矩为1 260N·m。压阀罩失效后，将拧紧力矩降为900N·m。

压阀罩横截面尺寸沿轴向变化，从上到下选取压阀罩上不同尺寸的4个尺寸变化的截面进行强度校核。

法兰上单个螺栓载荷Qp为：

(1)

式中d——螺栓直径；

T——作用在单个螺栓上的扭矩。

作用在压阀罩上的总作用力F可表示为：

F=12Qp

(2)

作用在压阀罩不同截面上的压应力σ可表示为：

(3)

其中A为不同截面截面积。

根据式(1)～(3)计算的结果列于表1。

表1 不同截面所受压应力

对比GB 9439-2010中规定的HT250的抗压强度为840MPa，失效前、后压阀罩所受压应力均在安全范围内。

为了解压阀罩各处的应力情况，进行有限元分析。在有限元软件ABAQUS中建立压阀罩的等尺寸实体模型，定义材料为HT250，弹性模量110 GPa，泊松比0.26[6]，仅考虑模型在弹性段的力学性能。其网格划分结果如图4所示。根据压阀罩实际工作条件，将压阀罩上端所受法兰压力等效为作用在上端面的均布压力载荷，根据失效前、后的螺栓扭矩，计算得到均布压力载荷分别为117.44、83.88MPa。压阀罩下端面与筒体接触，设为固支边界。