往復式壓縮機連桿的失效原因

孟祥進，蔣曉東，施哲雄，鐘云飛

（華東理工大學，上海200237）

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往復式壓縮機連桿的失效原因

孟祥進，蔣曉東，施哲雄，鐘云飛

（華東理工大學，上海200237）

摘 要：某企業乙二醇回收氣往復式壓縮機連桿大頭蓋及其緊固螺栓發生了斷裂事故。對該連桿大頭蓋和緊固螺栓進行了斷口宏觀形貌、材料化學成分、掃描電鏡、顯微組織等的檢驗分析。結果表明：造成此次壓縮機事故的主要原因是壓縮機連桿螺栓預緊力不足導致連桿兩瓦之間存在間隙，造成該部位螺栓表面產生微動磨損誘發裂紋源，產生疲勞斷裂，進而導致連桿大頭蓋斷裂、連桿發生彎曲變形。

關鍵詞：往復式壓縮機；連桿螺栓；摩擦；疲勞斷裂；彎曲變形

某企業一臺乙二醇回收氣往復式壓縮機，運行了近6 a后突然發生故障。解剖后發現該壓縮機一級連桿（材料為45號鍛鋼）的兩個螺栓（材料為40Cr鋼，尺寸φ42 mm×400 mm）發生斷裂，連桿大頭蓋螺栓孔處也發生斷裂，并且連桿發生了嚴重的彎曲變形，具體情況見圖1。

1 理化檢驗

1.1 斷口宏觀形貌

由圖2（a）可見，裂紋擴展區占整個斷口面積的比例較大，可以判斷1號螺栓斷裂前所受的應力較低。觀察裂紋的擴展方向，可以發現有明顯的規律性黑白條紋存在，該條紋花樣呈典型的疲勞斷口特征，說明1號螺栓是在運行過程中受到交變載荷的作用疲勞裂紋發生擴展，最終引起斷裂。

圖1　壓縮機連桿斷裂宏觀形貌Fig.1 Fracture appearance of the compressor connecting rod

由圖2（b）可見，斷口共有上下兩個起裂源，斷口中央區域為最終斷裂區。在裂紋擴展區域有明顯的黑白相間的條紋，即“貝殼狀”條紋，呈典型的疲勞斷口特征。根據上下兩個裂紋源和貝殼狀條紋方向可以判斷2號螺栓所受的交變載荷以彎曲應力為主。

由圖2（c）可見，裂紋起裂發生在連桿大頭蓋螺栓孔根部的應力集中區域，整個斷口呈放射狀條紋，沒有明顯的瞬斷區域。該斷口呈現快速撕裂特征，說明斷裂前該處所受到的應力較大。

圖2　壓縮機螺栓、連桿大頭蓋斷口形貌Fig.2 Fracture appearance of compressor bolts No.1 and No.2（a-b）and connecting rod cap（c）

1.2 表面宏觀形貌

從圖3（a）可以看到，1號螺栓起裂部位附近表面上存在許多短且細的平行小裂紋，并且在螺栓光桿面及其背面附近區域出現具有一定規律的、光滑的明暗相間的溝線條紋痕跡。從圖3（b）中可以看到，1號螺栓連接連桿大頭蓋端面也存在明暗相間的溝線條紋，大頭蓋端面邊緣處明顯存在斷裂過程中擦傷的痕跡，局部有機械碰撞后變形的損傷情況，但是端面上的這些明暗溝線條紋區域明顯是運行過程中遺留下來的磨痕標記，是長期運行的損傷，而不是斷裂時產生的。

圖3　螺栓表面、連桿大頭端蓋表面形貌Fig.3 Surface appearance of bolt surface（a）and rod cap（b）

1.3 化學成分

在斷裂的兩根螺栓和連桿大頭蓋處切塊取樣，使用光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。對比GB/T 3077-2002［1］、GB/T 699-1999［2］，除螺栓的錳含量略高于標準外，其他元素含量基本與原設計材料一致，材料的化學成分符合相關標準要求。

表1　連桿、大頭蓋螺栓材料化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of the rod and the cap bolts（mass）　%

1.4 斷口SEM形貌

用掃描電鏡對螺栓和連桿大頭蓋斷口進行微觀形貌分析，如圖4所示。由圖4可見，1號螺栓由于表面受到反復摩擦擠壓載荷的作用，引起最初開裂并形成短而細的小裂紋。裂紋擴展區域可見大量疲勞輝紋花樣。瞬斷區斷口為韌窩狀韌性斷口。1號螺栓斷口上產生兩個不同的斷裂機理，前者為受到擠壓變形引發的開裂，后者為疲勞裂紋擴展。

2號螺栓斷口形貌見圖5，其斷口特征與1號螺栓一致。

連桿大頭蓋整個斷口呈脆性“準解理斷口”特征，沒有疲勞輝紋花樣存在，因此不是疲勞產生的，該斷口為快速撕裂斷口，見圖6。

圖4　1號螺栓斷口不同區域的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of different areas at the facture of bolt No.1：（a）crack initiation area；（b）crack growth area and（c）final fracture area

圖5　2號螺栓斷口不同區域的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of different areas at the facture of bolt No.2：（a）crack initiation area；（b）crack growth area and（c）final fracture area

圖6　連桿大頭蓋斷口的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the rod cap fracture at low（a）and high（b）magnifications

1.5 螺栓材料金相分析［3］

為了檢查螺栓材料金相組織及熱處理狀況，從兩個螺栓斷口附近沿螺栓縱截面剖開取得金相試樣，經過預磨、拋光、腐蝕后，用光學顯微鏡觀察，其顯微組織見圖7。由圖7可見，兩個螺栓的組織均為具有馬氏體位向的回火索氏體，并且在材料中存在大量沿軸線分布的帶狀夾雜物。這些夾雜物可以看成是材料中存在沿軸線分布的裂紋性缺陷，對平時生產會構成隱患，但是可以確認這些缺陷并不是引發此次螺栓斷裂的原因。

圖7　連桿螺栓縱截面的顯微組織Fig.7 Microstructure of connecting rod on longitudinal section：（a）bolt No.1（b）bolt No.2

2 斷裂原因分析

連桿作為活塞和曲軸的連接件，將電動機的旋轉運動轉化為活塞的往復運動［4］。在工作情況下螺栓主要受到交變載荷的作用，連桿大頭通過螺栓緊固在曲軸上，因此連桿所受的力會傳遞到連桿的螺栓上。在正常工作條件下連桿主要受到初始的預緊力和氣體壓縮過程中連桿傳遞的活塞力，由此可以看出連桿主要受到交變拉應力的作用［5］。

根據連桿和螺栓斷口宏觀、微觀形貌分析，可以確定螺栓受到交變載荷的作用引起疲勞裂紋擴展，其大部分斷口呈現疲勞脆性斷口特征。在1號螺栓裂紋源處發現該斷口呈變形擠壓斷口特征，同時發現螺栓表面有很多短且細的平行小裂紋，斷口附近螺栓桿表面有一定規律的光滑明暗溝線痕跡，證明螺栓表面與連桿大頭蓋內孔存在相對摩擦擠壓情況。從1號螺栓斷口附近的磨痕及連桿大頭蓋端面存在明顯的磨痕情況判斷，這些磨痕是運行過程中造成的，并不是螺栓斷裂時產生的，由此可以推斷出平時運行過程中螺栓螺母沒有完全緊固。當壓縮機運行時，連桿大頭端蓋之間由于預緊力不足導致連桿兩瓦之間存在間隙，造成該部位螺栓表面產生微動磨損誘發裂紋源，產生疲勞斷裂。

從2號螺栓斷口形狀可以看出該螺栓受到的交變載荷以彎曲應力為主，即當1號螺栓疲勞斷裂后，使2號螺栓承受較大的彎曲應力，導致其發生疲勞斷裂。同時連桿受到活塞力的作用，螺栓斷裂不能受平衡力矩的作用，導致連桿大頭蓋發生斷裂并且連桿也發生了彎曲變形。

3 結論和建議

造成此次壓縮機事故的主要原因是壓縮機連桿螺栓的預緊力不足導致連桿兩瓦之間存在間隙，造成該部位螺栓表面產生微動磨損誘發裂紋源，產生疲勞斷裂，并最終導致連桿大頭蓋斷裂，連桿發生彎曲變形。為此提出以下幾點建議：在下一個停車周期后，采用表面探傷方法對螺栓表面進行逐個檢查，一旦發現表面裂紋應及時更換；對連桿緊固螺栓重新進行緊固。此次檢查發現螺栓中有較多帶狀夾雜物，也是一個生產隱患，應及時更換一批緊固螺栓。

參考文獻：

［1］GB/T 3077-2002 合金結構鋼［S］.

［2］GB/T 699-1999 優質碳素結構鋼［S］.

［3］任頌贊.鋼鐵金相圖譜［M］.上海：上海科學技術出版社，2003.

［4］李云，姜培正.過程流體機械［M］.北京：化學工業出版社，2001：13.

［5］張亞明，黃偉.新氫壓縮機連桿螺栓斷裂失效分析［C］//2011年全國失效分析學術會議論文集.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2011.

Failure Reason of Reciprocating Compressor Connecting Rod

MENG Xiang-jin，JIANG Xiao-dong，SHI Zhe-xiong，ZHONG Yun-fei
（East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：An accident occurred in an enterprisein which the connecting rod cap and its fastening bolts of a glycol gas recycling reciprocating compressor fractured.A series of study on the fractured connecting rod cap and fastening bolts were carried out by visual inspection，material chemical composition analysis，SEM observation and metallographic examination.The results show that the main reason of the compressor accident could be described as following：a gap between two connecting rods generated because the compressor connecting rod bolts were not fully tightened；then the crack source was induced by fretting wear at the surface of bolts，and then the crack grew to contribute to fatigue fracture；at last the connecting rod cap fractured and led to the deformation of the connecting rod.

Key words：reciprocating compressor；rod and blot；friction；fatigue fracture；bending deformation

通信作者：蔣曉東（1953-），副研究員，從事鍋爐、壓力容器、壓力管道等特種設備安全保障評估技術和失效分析技術的研究及工程應用，13901863318，Jxd@ecust.edu.cn

收稿日期：2015-01-15

DOI：10.11973/fsyfh-201603016

中圖分類號：TH457

文獻標志碼：B

文章編號：1005-748X（2016）03-0259-04