壓縮機壓閥罩斷裂失效分析

2016-12-26 02:20:32初泰安

化工機械 2016年6期

關鍵詞：裂紋

初泰安

(中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司)

壓縮機壓閥罩斷裂失效分析

初泰安*

(中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司)

某公司芳烴重整裝置往復式壓縮機中壓閥罩在使用兩個月后出現開裂。為查明失效原因，通過SEM、金相觀察及有限元分析等方法進行檢驗分析。結果表明：壓閥罩受力過大是引起開裂的主要原因，材料內部磷共晶含量偏高和石墨分布不均加劇了開裂。

壓縮機壓閥罩失效分析有限元鑄鐵

某公司芳烴廠往復式壓縮機(型號2D10)中壓閥罩在使用兩個月后出現變形開裂，影響壓縮機正常運行。為查明失效原因，對壓閥罩開裂原因進行分析[1～5]。

壓閥罩為壓縮機內部零件，材料為HT250，其上下端面分別與法蘭和外殼接觸，被法蘭壓緊。法蘭上均布12個規格為M30的螺栓，每個螺栓緊固扭矩為1 260N·m，發生變形開裂后，螺栓扭矩降為900N·m。

1 宏觀形貌分析

失效后的壓閥罩如圖1所示。下端面周向上均勻分布6條軸向裂紋，長度基本一致，裂紋貫穿內外壁。在壓閥罩環向變截面處，沿周向均勻分布沿環向擴展的裂紋，裂紋長度接近壓閥罩中部開孔寬度。

圖1 壓閥罩宏觀照片及局部取樣位置

2 斷口分析

在失效后的壓閥罩上進行取樣，因軸向和環向裂紋在圓周上均勻分布，位置和長度基本一致，故取典型的軸向(1#)和環向(2#)裂紋試樣各一處，取樣位置如圖1所示。

對兩處試樣斷面進行觀察發現：斷口表面無明顯塑性變形，有明顯的人字或山形條紋，為典型的脆性斷裂特征；斷口表面氧化生銹，1#試樣氧化程度從壓閥罩下端面沿軸向逐漸減輕，在裂紋末端可見新鮮的金屬光澤，說明其啟裂位置為壓閥罩下端面；1#、2#試樣裂紋靠近外面處氧化程度大于內表面，說明裂紋從外部啟裂，沿厚度方向向內擴展。

利用掃描電鏡(SEM)對裂紋斷面進行掃描，結果如圖2所示。

a.1# ×200

b. 2# ×100

掃描電鏡下可見斷面表面有氧化物附著，斷面上可見解理面和小韌窩，可判定斷口為混合斷裂，以脆性斷裂為主。較高倍率下可以看到斷口表面呈冰糖狀的完整晶粒面，可判斷斷口為沿晶斷裂。

3 金相分析

GB 4739-2010中規定HT250為珠光體類型的灰鑄鐵，其金相組織應為片狀石墨+珠光體。片狀石墨長度4～5級，無定向分布，其含量占基體的4%～7%，珠光體為細片狀，二元磷共晶少于2%。

對壓閥罩上取得的試樣進行打磨、拋光，浸蝕前、后使用光學顯微鏡進行觀察。結果如圖3所示。光鏡下觀察可見試樣內石墨為無方向性片狀A型石墨，但分布不均，部分石墨粗大，存在石墨塊；石墨長度均為3級，低于標準規定，這將使鑄鐵硬度、強度偏低，力學性能下降。浸蝕后的試樣基體組織為細片狀珠光體，同時存在孤立塊狀二元磷共晶，其含量多于2%，磷共晶數量為2級。基體中存在二元磷共晶且含量過多，易引起基體開裂，在應力作用下不斷擴展，導致最終開裂失效。

a. 浸蝕前 ×100 b. 浸蝕后 ×100

4 受力分析

在壓縮機中，壓閥罩上端面被法蘭壓緊。該法蘭上均布12個規格為M30的螺栓，每個螺栓上的擰緊力矩為1 260N·m。壓閥罩失效后，將擰緊力矩降為900N·m。

壓閥罩橫截面尺寸沿軸向變化，從上到下選取壓閥罩上不同尺寸的4個尺寸變化的截面進行強度校核。

法蘭上單個螺栓載荷Qp為：

(1)

式中d——螺栓直徑；

T——作用在單個螺栓上的扭矩。

作用在壓閥罩上的總作用力F可表示為：

F=12Qp

(2)

作用在壓閥罩不同截面上的壓應力σ可表示為：

(3)

其中A為不同截面截面積。

根據式(1)～(3)計算的結果列于表1。

表1 不同截面所受壓應力

對比GB 9439-2010中規定的HT250的抗壓強度為840MPa，失效前、后壓閥罩所受壓應力均在安全范圍內。

為了解壓閥罩各處的應力情況，進行有限元分析。在有限元軟件ABAQUS中建立壓閥罩的等尺寸實體模型，定義材料為HT250，彈性模量110 GPa，泊松比0.26[6]，僅考慮模型在彈性段的力學性能。其網格劃分結果如圖4所示。根據壓閥罩實際工作條件，將壓閥罩上端所受法蘭壓力等效為作用在上端面的均布壓力載荷，根據失效前、后的螺栓扭矩，計算得到均布壓力載荷分別為117.44、83.88MPa。壓閥罩下端面與筒體接觸，設為固支邊界。