往復式甲烷壓縮機曲軸斷裂原因

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640)

0 引 言

往復式氣體壓縮機通過氣缸內活塞或隔膜的往復運動使缸體容積呈周期性變化，以此實現氣體的壓縮和輸送。往復式氣體壓縮機在石油化工生產中起著重要的作用，一旦壓縮機發生故障，輕則影響正常生產，重則造成人員傷亡和財產損失。曲軸是往復式氣體壓縮機中傳遞動力的關鍵部件，在化工生產中由于曲軸斷裂導致的壓縮機事故較為常見[1-2]。某煉油廠一臺往復式壓縮機在運行過程中因外送流量瞬間降低而導致連鎖裝置自動停機，經檢查發現該壓縮機在曲軸驅動軸與第一曲拐連接的主軸頸根部斷裂。觀察發現，曲軸外表面未見明顯的摩擦、破壞等痕跡，也未見由于安裝、配合不當而導致的摩擦痕跡。由壓縮機巡檢記錄及壓縮機壓力、流量、振動、溫度等數據監測可知，曲軸斷裂之前工況正常，沒有出現運行過載、操作不當、額外振動等情況。該壓縮機是一列一級臥式、水冷式甲烷壓縮機，曲軸的設計使用壽命為15 a，曲軸斷裂之前已經使用了9 a。曲軸的額定功率為81 kW，轉速為585 r·min-1，氣缸直徑為310 mm，吸氣壓力為0.3 MPa，排氣壓力為0.7 MPa，兩曲柄互成180°。斷裂曲軸的材料為調質處理態35CrMo鋼，曲軸在運行過程中受到扭矩和活塞桿沖擊等交變應力的作用。為了分析曲軸斷裂的原因，并防止類似事故再次發生，作者對該曲軸進行了失效分析，并提出了相應的改進措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 斷口宏觀形貌

觀察發現，該壓縮機曲軸斷為兩截，斷口表面具有金屬光澤，未見明顯腐蝕特征。由圖1可以看出，曲軸斷裂位置為第一節主軸頸根部，斷口整體與主軸線成45°，符合正斷型扭轉疲勞斷口特征。由圖2可以看出：失效曲軸斷口一側因斷裂后受到擠壓而發生嚴重的塑性變形；失效曲軸斷口存在疲勞裂紋源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區。斷口有兩個裂紋源，1#裂紋源位于主軸頸過渡圓角處，2#裂紋源位于油孔處，該處因反復擠壓而發亮；由于斷裂類型為扭轉疲勞斷裂，因此疲勞裂紋擴展區中未觀察到明顯的疲勞貝紋線特征；瞬時斷裂區占斷口總面積的50%；斷口底部和油孔處均有明顯的機械加工痕跡。用LEICA DMS1000型體視顯微鏡觀察失效曲軸軸頸與曲柄連接處的宏觀形貌，發現軸頸與曲柄連接處的過渡圓角形狀不規則。圓角底部的表面粗糙度Ra為3.2 μm，標準要求曲軸變截面處應有較大的過渡圓角并進行研磨拋光，表面粗糙度一般應達到0.20.4 μm。可見，過渡圓角的形狀和表面粗糙度均不符合要求。在不規則粗糙的過渡圓角和油孔附近粗糙的機械加工痕跡處容易產生應力集中，而應力集中是曲軸發生疲勞斷裂的一個重要原因[3]。

圖1 失效曲軸斷裂位置示意Fig.1 Schematic of the failed crankshaft fracture position

圖2 失效曲軸斷口宏觀形貌以及油孔處的加工痕跡Fig.2 Macroscopic morphology of the failed crankshaft fracture (a) and machining marks near oil hole (b)

1.2 斷口微觀形貌

用丙酮溶液超聲清洗失效曲軸斷口，干燥后置于S-3700型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察微觀形貌。由圖3可以看出：位于主軸頸過渡圓角處的1#裂紋源區存在較大的塊狀夾雜物，夾雜物附近的氧化物明顯比斷口其他位置的多，說明該處裂紋產生的時間早于其他位置；位于油孔處的2#裂紋源在斷裂過程中受到一定的擠壓，但是仍可以觀察到放射狀紋路匯集于該裂紋源處；疲勞裂紋擴展區存在明顯的二次裂紋和非金屬夾雜物；瞬時斷裂區存在河流花樣和與斷裂方向一致的人字形撕裂棱。

1.3 化學成分

采用Optik-01L0017型直讀光譜儀和QL-HW2000B型高頻紅外碳硫分析儀對失效曲軸的化學成分進行分析。由表1可知，該曲軸的化學成分符合GB/T 3077-2015對35CrMo鋼的成分要求。

1.4 顯微組織

在失效曲軸斷口附近截取金相試樣，經研磨、拋光后用質量分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用DMM-400C型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖4可以看出，曲軸的顯微組織主要為回火索氏體，還存在呈帶狀分布的回火屈氏體和少量塊狀鐵素體，晶粒大小不均勻。根據GB/T 6394-2017判定，晶粒度級別為9級，符合標準要求。曲軸中存在的帶狀組織使得鋼的力學性能呈現各向異性，這輕則導致熱變形過大，重則造成應力集中[4]。組織中存在的回火屈氏體導致鋼的硬度升高，晶粒大小不均勻導致鋼的塑性、韌性和疲勞性能變差[5]。

圖3 失效曲軸斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the failed crankshaft fracture: (a) 1# crack origin area; (b) 2# crack origin area; (c) fatigue crack growth area;(d) final fracture area, river pattern and (e) final fracture area, tearing ridge

圖4 失效曲軸的顯微組織Fig.4 Microstructures of the failed crankshaft: (a) at low magnification and (b) at high magnification

表1 失效曲軸的化學成分(質量分數)

1.5 力學性能

按照GB/T 2975-2018，在失效曲軸斷口附近分別截取沖擊、扭轉、拉伸和硬度試樣。采用JBW-300B型微機屏顯沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗；采用ND-500型微機控制電子式扭轉試驗機進行室溫扭轉試驗；采用WAW-500C型微機控制電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為5 mm·min-1；采用MVC-1000D1型維氏硬度計測失效曲軸心部和表面硬化層的硬度，載荷為98 N，保載時間為10 s。由表2可以看出：失效曲軸的屈服強度低于GB/T 3077-2015標準要求的33%，抗拉強度低于標準要求的21%，沖擊韌度低于標準要求的57%，斷面收縮率低于標準要求的9%；曲軸心部硬度高于標準要求19%，表面滲氮層厚度約為0.5 mm，硬度平均值為461.9 HV。由此表明，該失效曲軸基體的硬度過高，強度明顯偏低，塑性和韌性較差。

表2 失效曲軸的力學性能

2 斷裂原因分析

由上述檢驗結果可知，該壓縮機曲軸發生了扭轉疲勞斷裂。曲軸過渡圓角和油孔處均存在粗糙的機械加工痕跡，且過渡圓角形狀不滿足要求，機械加工痕跡和不規則粗糙的過渡圓角處形狀急劇變化，造成局部應力集中；在壓縮機曲軸轉動過程中，氣缸內的氣體壓力不斷發生變化，作用在氣缸活塞上的氣體壓力、往復慣性力和往復摩擦力傳遞到活塞桿，并通過曲柄連桿機構作用到曲軸軸頸處產生交變扭轉應力，導致微裂紋萌生。曲軸組織中存在嚴重的帶狀回火屈氏體以及大小不均勻的晶粒，造成曲軸硬度偏高，塑性和韌性較差，從而加速了疲勞裂紋的擴展；同時曲軸內部存在的非金屬夾雜物也會使裂紋的擴展速率增大。綜上所述，在交變扭轉應力的作用下，曲軸主軸頸不規則且粗糙的過渡圓角和油孔附近粗糙的機械加工痕跡處產生應力集中，導致微裂紋萌生；嚴重的帶狀回火屈氏體組織、大小不均勻的晶粒以及非金屬夾雜物導致曲軸的力學性能變差，加速了疲勞裂紋的擴展，最終曲軸發生扭轉疲勞斷裂。

3 結論及措施

(1) 曲軸發生了扭轉疲勞斷裂，疲勞裂紋源位于曲軸主軸頸過渡圓角處和油孔處；在長期的交變扭轉應力的作用下，主軸頸不規則且粗糙的過渡圓角和油孔附近粗糙的機械加工痕跡處產生應力集中，導致微裂紋萌生；嚴重的帶狀回火屈氏體組織、大小不均勻的晶粒以及非金屬夾雜物加速了疲勞裂紋的擴展，最終曲軸發生斷裂。

(2) 為防止此類事故的再次發生，應嚴格控制曲軸的熱處理工藝，確保材料的力學性能滿足標準要求；嚴格控制曲軸的加工工藝，確保曲軸表面、過渡圓角和油孔處的粗糙度均滿足標準要求，加強驗收檢驗，防止存在明顯表面缺陷的曲軸投入生產；優化曲軸結構設計，避免過渡圓角處產生應力集中；嚴格按照規程實施大修和日常檢查，在曲軸斷裂前發現微裂紋并采取控制措施。