甲烷制冷压缩机配件断裂分析

失效分析甲烷制冷压缩机配件断裂分析陈峰，吴孝强，李凤先，徐国良，纪琳王印培，陈进（独山子石化总厂研究院，新疆独山子833600）（华东理工大学，上海200237）行了试验分析，确定了其断裂模式为疲劳断裂。调质热处理工艺不当和活塞杆连接螺纹根部应力过大是产生疲劳断裂的主要原因。提出了预防断裂的措施。

1概述某乙烯厂裂解装置中10K-302A/B甲烷制冷压缩机系美国DRESSERRAND公司生产，1994年投入使用。1996年10-K-302B机一级活塞轮毂断裂，更换后运行了6000h，1998年又相继断了七根活塞杆。

同年A机一级活塞轮毂亦断裂，恢复运行两天后，一级连杆断裂，打碎了曲轴箱。经检查，一级活塞杆断裂，活塞杆锁紧螺母及连接的活塞杆掉在活塞缸中，A机运行17000h.其后302B机使用国产活塞杆，使用时间从几天到两个月，严重影响乙烯生产。

2检验与结果2.1断口检验（2）活塞杆断口宏观检验断口基本上与活塞杆的轴线垂直，位于活塞杆与锁紧螺母旋合部分的收穑日期：20000S18最后几道螺纹的根部，见。

断面上近纤维断口区疲劳辉纹间距较近裂源处大。纤维状断口区存在韧窝花样，为瞬断区，见断口为多源高周疲劳断口，主要裂源在活塞杆连接螺纹根部。

2.2化学成分分析活塞化学成分分析结果见表1与外商材质证书基本接近，为AISI4142钢。

表1活塞杆化学成分分析结果w（%）元素含量2.3显微组织检验连接部位的断口处取样，观察纵截面。

试样经4%硝酸酒精溶液侵蚀后，光学显微镜下观察，AISI4142材料活塞杆组织为回火索氏体和大量不均匀未熔块状铁素体，见。42CrM钢的显微组织与AISI4142类似，表明活塞杆在调质热处理时，奥氏体加热温度偏低，或保温时间不充分。

2.4力学性能试验取样部位为75.7mm段的活塞杆心部和1/4直径处，试样尺寸为令10mm.试验结果列于表2.由表可见，AISI4142材料抗拉强度与资料上数据基本一致，而35CiMo和42CiMo指标较低。

表2活塞杆拉伸性能试验结果试样号产品资料注：为AISI4142材料C为心部取样，B为边缘取样，M为35CrMo（代用活塞杆），SY为42CrMo（代用活塞杆）。

75.7mm轴段取一截面测得硬度为19.629.7HRC，符合设计要求114. 1991标准，采用单试样卸载柔度法，试样尺寸见。

图中a为线切割深度（8.5mm），a为总预制裂纹深度（11mm），a―a为疲劳预制裂纹深度。结果Jic 258N/mm，换算成KiC=774MPa"m172，表明活塞杆材料一般不会引起低应力脆断5表3活塞杆静强度及疲劳强度系数校核结果静强B数应力幅系数最大应力系数材科许用值（4）裂纹扩展速率da/dN测试试验采用三点弯曲试样测试，试样取样及尺寸同断裂性试样。试验中取Pmm/Px=0.1根据所得的数据，绘制a-N曲线，采用七点递增法确定不同循环周次N所对应的裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子范围AK.根据帕里斯经验公式，da/dN和AK在双对数坐标上呈线性关系，即da/dN=1.0X10一11（Ak）34.3力学分析3.1工况条件3.2活塞杆断裂部位及其静强度和疲劳强度校活塞杆断裂部位主要集中在一级活塞杆与活塞连接螺纹处（以下用I表示）及一级活塞杆与十字头螺纹连接处（以下用I康示），见。

依据设计要求，以上材料疲劳强度指标均偏低。

42CrMo和35CrMo综合性能不如AISI4142材料。计算结果列于表3. 3.3连杆应力分析连杆结构及断裂部位见。连杆是二力杆件，杆身受到连杆力Pc的拉压作用。以最大气体作用力为连杆所受的最大连杆力，即最大连杆力Pc是3.3.1连杆杆体拉压应力3.3.2连杆杆体稳定性计算以杆体中间截面为计算截面，按纵弯-压及横弯-压的应力公式计算，连杆杆体所受的纵弯-压总应力连杆杆体拉压应力及稳定性符合设计要求。

3.3.3连杆断裂力学分析（）在活塞组件向外止点运行时，连杆开始失稳弯曲，此时124°（a为活塞由其行程的内止点开始，曲柄所转过的角度）。

3.3.4连杆受冲击载荷下的力学分析及计算5°时，活塞已到达实际的内止点，此时连杆受冲击载荷。在冲击载荷下，电机扭转力矩和主轴扭转力矩等的综合作用使连杆断裂时所受的综合拉应力为7063.3MPa.（为625MPa，由设备随机资料提供），说明连杆带动活塞组件向内、外止点运行一个循环，就受到两次冲击。冲击作用于连杆的应力远大于连杆的屈服极限及抗拉极限。连杆先发生屈服弯曲，后发生拉伸塑性断裂。

4活塞杆疲劳分析4.1活塞杆疲劳分析模型根据分析，确定活塞杆断裂源在活塞杆连接螺纹的根部。假设活塞杆在运行过程中，螺纹根部一周同时起裂，并以同样扩展速率向内部扩展，导致最终断裂，可选圆柱裂纹模型来计算活塞杆疲劳裂纹扩展寿命。假设螺纹根部存在初始裂纹深度为a=0.1或0.05mm，活塞杆在极限载荷下临界裂纹尺寸计算得aL= 4.2活塞杆疲劳裂纹扩展寿命计算行9026.5h以上才会断裂。若螺纹根部存在0.05mm裂纹，求得N=3.53X108周次，表明活塞杆运行18000h以上才会断裂。

5讨论活塞杆连接螺纹的表面层是力学敏感区，它对构件疲劳寿命有重要影响。AISI4142活塞杆连接螺纹表面粗糙度经检查为Ra0.81……螺纹根部半径为0.3mm，符合加工要求。而国产活塞杆螺纹表面加工相对粗糙（Ra0.4）。

的回火索氏体，具有较高的强度和良好的综合力学性能。金相检验结果表明，活塞杆在进行热处理时奥氏体化加热温度偏低，或保温时间不够长。

6结论AISI4142活塞杆断裂为多源高周疲劳断裂。

活塞杆调质热处理工艺不符合设计要求；活塞杆锁紧螺母如松动，在活塞杆连接螺纹处会产生过高附加应力引起活塞杆疲劳断裂。

连杆因过载而发生塑性断裂。

国产活塞杆为低周疲劳断裂。活塞杆调质热处理工艺不符合设计要求，加之机加工表面质量较差，使应力集中系数偏大，特别是活塞杆连接螺纹根部应力集中过大，抗疲劳性能差，其综合力学性能低于AISI4142材料，不能满足压缩机实际工况需要。

7建议加强使用及管理制度①装配前应仔细检查活塞杆杆体及连接螺纹处表面加工质量，如不合格，禁止使用。②装配时建立合适预紧力，运行一段时间后，应在热态下旋紧，保证活塞杆上轧丝螺纹和螺母上的加工螺纹的良好接触，以提高活塞杆螺纹连接处的疲劳强度。

材料加工工艺方面①严格热处理工艺，使其具有高的强度及高的疲劳抗力。②应保证加工后表面粗糙度不得高于Ra0.8，以减少应力集中。③对应力集中区进行喷丸强化，提高运行可靠性。

采取上述措施后该两台机组运行一年未再发生类似失效事故。