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1、2009年第1期总213期■故障分析文章编号:100622971(2009)0120030204对置平衡型原料气压缩机活塞杆断裂失效分析程学群,李晓刚,刘智勇,张新(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)摘要:通过对某石化炼油厂断裂活塞杆构件的失效分析,认为活塞杆的失效类型是脆性断裂,没有发现疲劳裂纹特征。失效活塞杆的平均化学成分基本符合标准规定,但微区元素分布非常不均匀,理论计算结果证实了发生压燃时的冲击载荷足可以导致活塞杆断裂。关键词:脆性断裂;金相分析;裂纹中图分类号:TG142.1;TH457文献标识码:B比
2、较平整,断口处管径没有明显变形初步可以肯定0引言发生的是脆性断裂。由于活塞杆工作时受轴向单轴气体压缩机是石化行业中重要的生产设备,其失应力作用,轴向应力为主应力,其断裂时主裂纹必然效的主要形式是活塞杆断裂,此类断裂现象往往是在与主应力垂直。随着裂纹的扩展,裂纹尖端为三向[1-3][4]运行过程中突然发生,具有不可预测性,因此应力作用,最大主应力为与主断口呈45°的剪切应常常给企业带来重大损失。某石化公司二制氢装置力,裂纹于是沿与主裂纹面45°方向扩展。因此,可中两列两级、固定水冷式双作用对置平衡型气压缩机以利用二次裂纹的走向和材
3、料断裂的规律来判断裂活塞杆在正常运行过程中突然爆裂,现场检查发现压纹源的发生位置。在断裂的活塞杆断口主断面上取机壳体分裂,其活塞主轴在位于连接活塞的根部断样,观察二次裂纹的情况(如图1所示),可推论出裂,断口处无明显韧性变形。断裂失效的活塞杆是日主裂纹的扩展方向,进一步也可以确定活塞杆断裂本日立公司生产、型号为BTD-NICC型的两列两级、失效是在拉应力作用下失效的,其具体原因下文将固定水冷式双作用对置式气压机活塞杆,材质为38进一步分析。CrMoAl,主要用于将来自管网的016MPa天然气升压至31835MPa后,送至一制氢装
4、置作原料。天然气的主要成分为甲烷、乙烷以及少量的空气。由断口宏观形貌及活塞杆工作的环境初步推断,此次事故可能由以下几个原因导致:(1)活塞杆疲劳断裂,引起压机工作异常导致壳体爆裂;(2)活塞杆由于腐蚀等因素产生点蚀或裂纹导致断裂,引起压机工作异常导致壳体爆裂;(3)压缩机内由于某种原因突然压力增大导致壳体爆裂和活塞杆断裂。以下将通过失效分析方法判断活塞杆断裂原因,进而为压缩机开裂原因的调查提供参考。1失效分析111宏观观察失效活塞杆的断口呈“人”字形特征,断口表面收稿日期:2008-10-20图1断口的宏观形貌30112微观形貌
5、观察图2是截取的断口试样的断面宏观和微观形貌,其中左上图为宏观放大形貌图,外围6张为标识部位的微观形貌图。其中,①、②、③点位于是沿断面径向观察,①、④、⑤、⑥点是观察裂纹最外边沿形貌。由该图可见,主断口上,不同部位的微观断口形图3拉伸实验宏观形貌貌均为准解理断裂形貌,具有明显的河流状或扇形表2拉伸实验结果花样,属于典型的脆性断口,所有观察点都表明断裂温度抗拉强度规定总伸长断后伸长率断面收缩率试样号备注是脆性断裂。同时由①、④、⑤、⑥处的微观形貌可℃MPa强度MPa%%见,断口没有明显的疲劳断裂特征(条纹形貌),因A259036
6、8112.419.5试样粗糙此可以排除断裂是由疲劳断裂导致的。B2589367712.824.5试样粗糙C2590568712.721.3试样粗糙《金属940℃淬火,室温≥980≥835δ≥14ψ≥50手册》640℃回火缩率较低,这种特性会导致其冲击性和裂纹止裂的性能较差。但是其屈强比(R/Rm)比较低(小于0175),具有较好的耐疲劳性能。因此,由拉伸性能可以进一步判断材质失效的可能是冲击载荷或拉伸载荷的作用,而疲劳裂纹导致失效的可能性较小。115材料组织成分检测11511金相测试图4是失效活塞杆断口的金相组织观察结果。由图4
7、(a)可见,该活塞杆的裂纹扩展模式是穿晶断图2送检活塞杆断口表面放大及微观形貌裂。这种裂纹模式通常都是脆性断裂裂纹,这与图113化学成分分析2的结果是一致的。由图4(b)可见,失效活塞杆材截取失效管道断口附近材料做了化学成分分质的金相组织基本一致,没有明显的织构特征,晶粒析。化学成分分析结果与《金属材料手册》中的标均匀,组织调质组织(细小的马氏体回火组织),但准成分对比如表1所示。由表1结果可见,失效活由组织取向可见材质的组织晶粒度平均为2～3级,塞杆的化学成分基本符合标准规定,而且其S、P元这种晶粒度属于较大的水平,一般现代高
8、强细晶粒素的含量较低,夹杂物水平较低,可以排除材料误用钢的晶粒度在7～8级以下,晶粒过大能够导致钢的或材料质量差导致断裂的原因。韧性降低,脆性增大。表1断口附近部位化学成分分析结果(wt%)11512断口表面的微区成分分析牌号CSiMnSPCrMoAl对图2所示
