迷宮壓縮機組合活塞裙斷裂失效分析

李玉艷

（江蘇錫壓石化裝備有限公司，江蘇無錫214001）

1 引言

某油氣公司一臺迷宮壓縮機在裝置運行一年后突然振動連鎖停機，停機后盤車不動。經檢查發現，其三級活塞套進氣側有部分碎裂掉落，碎片在活塞上蓋頂部。根據現場反饋，該機在連鎖停機前4日由于裝置現場停水，機組由于Ⅲ級溫度高高聯鎖停車，后循環水供水恢復后重新開啟壓縮機。

2 活塞套斷裂分析

2.1 宏觀形貌分析

該Ⅲ級活塞組件防松螺母沒有松動跡象，活塞套表面碎裂側局部磨損量較大，碎裂對側磨損嚴重，出現鋁材的熔連；活塞套上下壓緊端面下沉分別為1.0 mm和0.5 mm，其表面有較深的周向印痕（非整圈，每小段約30 mm左右），端面邊緣不接觸處形成銳邊；活塞套安裝側面有明顯的旋轉痕跡，斷裂位置周圍有明顯的軸向運動痕跡，局部狀態。活塞組活塞套斷裂段位于活塞上蓋安裝端面以上，經測量，該活塞套斷裂處長約310 mm，占圓周的2/5，如圖1所示。

2.1.1 周向運動

據觀察，該Ⅲ級活塞在運行過程中活塞套與活塞上下蓋發生了相對旋轉運動，且旋轉角度不大；由于活塞套與上下蓋的結合面在旋轉研磨過程中造成活塞套（鍛鋁材料）端面材料磨損，使得結合面的殘余預緊力不足或喪失。

本活塞套在運行過程中應有較大的扭轉力，原因為局部擦缸，因缸體及活塞套不能絕對圓，各部位客觀存在溫度差異而造成膨脹不一，所以活塞套與氣缸壁之間必然存在局部間隙差異，在特殊情況下（如超溫）便可能造成局部擦缸。本機在Ⅲ級溫度高高聯鎖停車，其連鎖溫度值為105℃（缸內溫度超出此溫度，約為115℃），經計算，活塞套徑向均勻膨脹值約為0.56 mm，而本活塞套與氣缸壁的總間隙為0.51 mm，從損壞的活塞套也可看出整體擦缸并局部嚴重，所以本活塞故障前的運行過程中有扭轉力作用。此扭轉力若能克服預緊形成的最大靜摩擦力便出現摩擦旋轉，其可能的情況為：（1）扭轉力較大；（2）殘余預緊較小。

2.1.2 軸向運動

由于相對旋轉磨損，活塞套與上下活塞蓋結合面的預緊力缺失，在往復運動中，活塞套與上下蓋發生軸向相對運動，結合端面不斷受到沖擊，造成了端面進一步凹陷；同時，由于活塞套的開裂，在運動過程中與活塞蓋振顫接觸，形成了部分軸向運動痕跡。

在交變的扭轉力及軸向沖擊力共同作用下，活塞套最大應力處（也可能初始缺陷或損傷處）出現裂紋并逐漸擴展，在約3.3×106次循環后完全斷裂并頂缸振動停機。

圖1 宏觀形貌

圖2 失效部位的放大圖

2.1.3 多源疲勞斷裂[1]

活塞套斷口沒有塑性變形痕跡，據觀察可知，此活塞套失效屬于多源性失效，主斷口比較光滑，在其上可見典型的疲勞平臺形貌[2]，長約40 mm左右，見圖2（a）所示，可見此材料的失效屬于典型的疲勞斷裂。疲勞源位于活塞套內壁直角處的應力集中處，活塞套上未斷裂部分處R1的圓角尚且保存完好，但斷裂部位的R1角已被磨平，說明活塞蓋與活塞套內壁在工作過程中（或故障過程中）發生了一定的偏心磨損，且在安裝端面上存在磨損程度約1 mm左右的嚴重粒子磨損痕跡，見圖2（a）箭頭所示，圖2（b）及（c）為擴展區次裂紋源形貌。

2.2 微觀分析

為弄清此活塞套過早疲勞失效的原因，對圖2（a）中的主裂紋源區進行掃描電鏡及能譜儀分析。掃描電鏡結果亦表明裂紋源起始于活塞套內壁直角處的應力集中處，且此處存在明顯的磨損痕跡見圖3。在主斷口上存在的疲勞條帶，亦證明導致此產品過早失效是疲勞斷裂所致，同時電鏡分析在斷口上也未見縮孔、氣孔、夾雜等材料自身缺陷。

3 材質分析

3.1 化學成分

該活塞套設計材料為2A70，采用直讀光譜儀對失效活塞套進行化學成分分析，結果如表1所示，化學成分符合GB/T3190-2008《變形鋁及鋁合金加化學成分》標準要求。

3.2 金相組織

在失效活塞套的完好處取金相試樣進行組織及純凈度檢驗，結果表明，材料致密性良好，未見微觀孔洞、裂紋等缺陷，且材料的金相組織為正常2A70鋁合金的a+S相+FeNiAl9相組織，見圖4。

3.3 機械性能

對該活塞套取樣進行拉伸試驗，主要機械性能結果見表2。

本活塞套在正常工況下，迷宮外壁（筒狀）受到徑向氣體壓力，由排氣壓力遞減至進氣壓力，由于直徑1.5 mm的呼吸孔存在，長期運行中內外壁的徑向受力達到平衡；活塞套上與活塞上下蓋貼合的安裝端面受到軸向的壓緊力和氣體力，此為活塞套的主要受力方式，經計算，本活塞套預緊后在排氣壓力的情況下，該端面最大受力為29.9 MPa，遠小于材料的屈服極限。

4 分析與討論

從前面的分析結果可見，此活塞套化學成分符合標準要求，組織的致密性良好，未見明顯缺陷，機械性能也符合標準要求。因此，該活塞套材料本身并不存在導致其早期疲勞失效的因素。

圖3 主裂紋源形貌

表1 化學成分含量表

圖4 a+S相+FeNiA19相

表2 材料主要機械性能

由于該活塞套主斷口處的材料已經崩落，無法觀察其內壁磨損情況，但在圖1橢圓區標記處與其一致的活塞套斷裂末端內壁磨損處，存在與活塞套周向磨損犁溝分布一致的從內向外擴展的磨削裂紋[3]，見圖5、6所示。圖5為裂紋宏觀形貌，圖6為從活塞套內壁磨損處，從內向外壁擴展的磨削裂紋，此類裂紋在交變應力周期反復作用下，失穩擴展，直至活塞套最終疲勞斷裂。

圖5 失效活塞套內壁磨削裂紋

圖6 磨削處裂紋從內向外擴展特征

5 結論

（1）該活塞套在故障之前出現局部嚴重擦缸、結合面旋轉摩擦、軸向相對運動的現象。

（2）活塞套斷裂屬于多源疲勞斷裂，是交變的扭轉力及軸向沖擊力的共同作用導致；因運行條件突變或使用不當等原因造成活塞套內壁局部區域偏心磨損且產生磨削裂紋，為疲勞失效的萌生提供了必要條件。

（3）活塞套材料化學成分符合標準要求，組織的致密性良好，未見明顯缺陷，機械性能也符合標準要求，該活塞套材料本身并不存在導致其早期疲勞失效的因素。

（4）迷宮壓縮機在運行過程中，應盡量在設計的工藝條件下運行，避免超溫超載。

（5）活塞套安裝時可適當增大其初始預緊，使活塞在極端工況下，仍能保留較大的殘余預緊力，以盡可能避免故障發生。