壓縮機活塞桿斷裂分析及技術改造

吳冬果 閆永兵 宋文戈

(山西陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司)

某化肥生產企業的合成氨系統完成氨醇優化改造后，在試生產階段多次發生了壓縮機活塞桿斷裂事故，不僅威脅到工作人員的生命安全，也給企業造成了較大的經濟損失，影響了生產的正常進行。其中，1#壓縮機在發生第一次斷裂后的第14天發生了第二次斷裂，2#壓縮機在發生第一次斷裂后的第35天發生了第二次斷裂。筆者針對連續幾次斷裂具有的共同特征，從活塞桿材料的化學成分、機械性能、金相組織及機械加工等方面分析其斷裂原因，并提出改進措施。

1 活塞桿斷裂原因分析

1.1 化學成分與機械性能分析

壓縮機作為一種過程流體機械[1]，大多應用于石化、冶金及煤化工等工業領域中[2]。壓縮機根據氣體的可壓縮性，通過活塞在汽缸中的往復運動，利用氣閥的單項開啟性，來完成壓縮氣體的膨脹、吸入、壓縮和排出4個階段，以達到提高氣體壓力的目的[3]。經觀察壓縮機活塞桿斷裂部位(圖1)在活塞桿與十字頭連接軸臺階處，并從近軸臺階處螺紋底徑起始。

圖1 活塞桿斷裂部位示意圖

1#壓縮機一段活塞桿材料為38CrMoAl，2#壓縮機二段活塞桿材料為42CrMo，其標準與實測化學成分見表1，機械性能見表2。

從表1、2可看出：活塞桿的化學成分符合標準要求；38CrMoAl的實測抗拉強度、屈服強度均小于標準值，說明其強度不足；沖擊功揭示材料的變脆傾向，兩種材料的沖擊功KV2遠低于標準值，說明其脆性高，沖擊韌性低。壓縮機的活塞桿在工作過程中主要承受較大的交變拉、壓應力和較小的彎曲、扭轉應力的作用，按照設計要求，采用適合38CrMoAl和42CrMo的熱處理工藝對其進行調質處理，使其沖擊功達到標準要求，提高材料韌性，保證活塞桿在正常工況條件下不會斷裂。

表1 活塞桿材料化學成分對比 %

表2 活塞桿材料機械性能對比

注：實測數據為3個試樣的值。

1.2 金相組織分析

對斷裂的活塞桿取樣并進行金相檢測。試樣材料38CrMoAl的熱處理工藝為調質+表面滲氮，金相組織分析結果為回火貝氏體+回火索氏體；試樣材料42CrMo的熱處理工藝為調質+高頻淬火，金相組織分析結果為回火索氏體呈帶狀分布。

回火索氏體中的碳化物分散度較大并呈球狀，具有良好的綜合機械性能，因此調質后的活塞桿金相組織應為細小、均勻的回火索氏體，這是要求對材料進行調質處理(淬火+高溫回火)的原因。調質后的金相組織均勻程度越好，斷面應力分布越均勻，避免了應力集中。

38CrMoAl中的貝氏體是因淬火后冷卻不好(比如冷卻太慢)形成的，且在后續回火過程中沒有完全被消除。回火溫度的控制直接影響鋼的沖擊韌性。

42CrMo帶狀組織是由淬火加熱溫度偏低導致金相組織不均勻，致使回火索氏體呈帶狀分布形成的。由于鋼在結晶過程中容易沿散熱方向出現柱狀晶，同時會發生嚴重的枝晶偏析，造成合金成分在微觀上的不均勻性。若熱處理工藝不當，在調質過程中會“遺傳”這種分布狀態，形成帶狀組織。

金相組織分析結果說明制造活塞桿鍛件的金相組織不符合要求，沒有嚴格按工藝要求進行熱處理，基體組織未能形成均勻回火索氏體。熱處理不當，晶間網狀碳化物的形成和夾雜物的偏聚，降低了晶間結合力和材料的沖擊韌性，使疲勞斷裂出現沿晶和穿晶混合斷口，增大了活塞桿的脆性斷裂傾向。

1.3 機械加工存在的問題

從活塞桿斷裂部位可看出，活塞桿端部的螺紋加工制造存在比較嚴重的質量問題，螺紋加工粗糙，螺紋牙根部出現較明顯的車削溝痕，螺紋根部的應力集中反映在斷裂截面上。對于承受沖擊載荷的活塞桿，加工時應嚴格控制尖銳性結構的存在，所有結構的過渡必須采用圓滑過渡，而且必須消除構件的制造應力。

1.4 安裝精度不高

活塞桿安裝時因精度不高造成與十字頭之間的縫隙過大，表3為滑道與十字頭間隙的實測平均值與設計值。為了消除過大的間隙，按規定需采用螺母進行調整，但此處是加墊片進行調整，致使活塞桿螺紋承受過大的預緊力；反向的十字頭中心位置安裝不準確，引起十字頭跳動量過大，給活塞桿施加了一個附加彎曲應力，降低了活塞桿螺紋處的安全應力幅系數，促使了塞桿延應力集中截面斷裂。

表3 滑道與十字頭間隙 mm

2 改進預防措施

經分析活塞桿材料仍可采用38CrMoAl、42CrMo，但要求制造廠家一定要嚴格按照熱處理工藝進行調質處理，調質處理后必須進行力學性能檢測，保證綜合機械性能。為提高活塞桿表面的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能，38CrMoAl進行表面氮化處理，使其硬度不小于700HBW，42CrMo做淬火處理，使其硬度為480～560HBW。承受交變載荷的重要構件必須進行調質處理。

活塞桿端部螺紋擠壓加工(滾制螺紋)，螺紋精度要求保證二級。擠壓螺紋由于螺紋底徑圓角符合規定，避免了應力集中，明顯提高了活塞桿的抗沖擊載荷、剪應力和彎曲、扭轉應力的能力，延長其使用壽命。

嚴格按照圖紙要求進行安裝，采取有效措施，防止碰傷活塞桿。安裝活塞桿螺帽前，必須徹底清洗活塞桿和螺帽螺紋，并涂抹螺栓防咬合劑。在維修中確保活塞桿與十字頭連接處的預緊力和活塞桿中心與十字頭中心的對中精度。

在使用過程中，應制定活塞桿定期檢測制度：檢查時應打開活塞，利用超聲波檢測活塞桿內部有無缺陷，使用著色探傷檢查活塞桿表面有無微裂紋；重點檢查螺紋部位有無損傷；在檢修時要分清十字頭滑板的受力側與非受力側，正確調整十字頭中心高；一般一年對螺紋處進行一次磁粉探傷，3年更換一根活塞桿。

3 結束語

針對壓縮機活塞桿連續幾次斷裂具有的共同特征，從活塞桿材料的化學成分、機械性能、金相組織及機械加工等方面分析其斷裂原因，并提出有效的改進措施。改造后的活塞桿運行時間均超過18個月，證明了斷裂原因分析是正確的，技術改造是成功的。

[1] 裘潯雋，楊瑜文.離心壓縮機系統控制規律的分析[J].化工自動化及儀表，2011,38(11):1346～1347,1363.

[2] 伍凌，易瑩杰，徐杰.國產DCS中富氣壓縮機防喘振控制方案的實施[J].化工自動化及儀表，2011，38(5)：624～625,635.

[3] 毛彥君，張濤.S7-300在化肥行業M85-206C CO2壓縮機控制系統中的應用[J].化工自動化及儀表，2010，37(1)：92～95.