往復壓縮機曲軸斷裂失效分析

李玉艷，孫振國

(1.江蘇錫壓石化裝備有限公司，江蘇 無錫 214001；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，江蘇 無錫 214072)

1 引言

某石化公司一臺往復壓縮機在運行時突然振動連鎖停機，停機后盤車不動，拆檢發現電機側曲軸拐斷裂、連桿大頭瓦損毀。該往復壓縮機為2列立式迷宮壓縮機，電機功率為185 kW，轉速為750 r/min，曲軸材料為40Cr鍛件，整體調質處理，表面高頻淬火處理。該曲軸總服役時間不足35個月，遠遠低于設計壽命。

據查，該壓縮機在裝置投運初期因氣流雜質影響，發生了一次過載事故，導致膜片式彈性聯軸器的膜片和連接螺栓斷裂、壓縮機各軸承損壞，曲軸在機器內可見表面未見明顯的損壞。經過維修、更換損壞件后壓縮機正常運行，但三年多的運行過程中出現過4次連桿大頭燒瓦的情況(含本次)，且間隔時間分別為18個月、10個月、6個月、3個月，越來越短。期間更換新大頭瓦時對曲軸頸表面做過輕微的打磨。為找出曲軸斷裂的原因，對斷軸進行了失效分析，提出了機器修復方案和安全運行措施，有助于企業盡快恢復生產、減少損失。

2 曲軸斷裂分析

2.1 斷口分析

2.1.1 宏觀斷口分析

該曲軸斷裂于電機側曲拐，約曲拐長度1/4處，斷面與軸線約呈45°夾角。該軸完全斷裂成2段，斷口表面分布較多的棱，斷面痕跡同時還提示該曲拐受到了明顯的扭轉載荷，該曲拐正常工作時在潤滑油膜的潤滑作用下僅受到徑向載荷和較小的表面摩擦力，結合該列曲拐運行期間多次燒瓦及換瓦前曲軸表面打磨的情況可知：該段曲拐表面受到了較大的周向摩擦力，曲拐與軸瓦之間沒能建立良好的潤滑關系；斷面還可見明顯的裂紋擴展貝紋線，提示了裂紋斷裂路徑。

該軸斷裂起源位于斷口發亮磨損嚴重部位，即約為1/4長度軸頸表面處，在裂紋源周邊可以看到明顯的裂紋擴展的貝紋線；斷口上無明顯的塑性變形痕跡，裂紋從起源區表面逐步向內沿著圓周擴展，除了裂紋擴展形成的貝紋線外，擴展區總體比較光滑而且面積較大；瞬斷區位置位于斷面的邊緣。斷口呈現的這些現象表明該曲軸斷裂失效過程受載荷較小。

2.1.2 微觀斷口分析

采用掃描電鏡對別對斷口起源區、擴展區、瞬斷區進行微觀形貌分析。圖1為裂紋起源區，微觀形貌顯示該起源區域經歷了嚴重的磨損；圖2為裂紋擴展區2000X微觀形貌，可以看到該區有典型的二次裂紋；圖3為裂紋擴展區5000X微觀形貌，可以看到該區有典型的疲勞輝紋；圖4是裂紋瞬斷區的微觀形貌，如箭頭所指，該區域也存在較多磨損。綜合上述微觀形貌判斷該曲軸的斷裂為典型的疲勞斷裂[1]。

圖1 起源區微觀形貌100X

圖2 擴展區微觀形貌2000X

圖3 擴展區微觀形貌5000X

圖4 瞬斷區微觀形貌200X

采用分析型掃描電鏡和能譜儀對裂紋起源區分析發現：起源區未見氣、縮孔，但含有很多低熔點雜質Sn，如圖5、6所示。

圖5 起源區微觀形貌500X

圖6 起源區化學成分圖譜

該起源區含有的金屬雜質Sn可能有兩種來源：一是錫基合金連桿大頭瓦磨損燒瓦后錫基金屬與曲軸表面熔合，或錫基金屬磨屑嵌入曲軸裂紋；二是曲軸本體材質中所含金屬錫雜質。

采用金相顯微鏡IM300對曲軸斷裂處取樣進行非金屬夾雜物測定[2]，結果顯示測定處無非金屬夾雜物。

3 曲軸性能分析

3.1 曲軸材質分析

采用臺式光譜儀對該曲軸(40Cr)近斷裂處取樣進行材質成分測定[3]，如表1所示，測定結果表明曲軸材質完全符合JB/T 6908 標準[4]要求，并且材質成分中不含金屬Sn。

表1 曲軸材質成分表

3.2 曲軸機械性能分析

對該曲軸近芯部取樣進行機械性能試驗，主要機械性能結果如表2所示，曲軸的機械性能符合JB/T 6908標準[4]要求。

表2 材料主要機械性能

3.3 金相組織分析

采用金相顯微鏡IM300(MS04)對曲軸未斷裂部分的取樣進行了組織測定[5]，結果顯示：①曲軸材料致密性良好，未見微觀孔洞、裂紋等缺陷；②曲軸表面組織為隱針馬氏體，如圖7，符合該軸精加工后表面經過高頻淬火的熱處理狀態；③曲軸芯部基體組織為索氏體，其上分布有珠光體+網狀鐵素體+少量魏氏組織，呈帶狀分布，如圖8，該曲軸在粗加工后經過調質處理，珠光體的存在說明調質處理時芯部溫度不足，晶體組織未充分轉變。

圖7 表面金相組織圖500X

圖8 芯部金相組織圖500X

4 分析與討論

從上述分析結果可知該曲軸的材質成分、機械性能均符合標準要求，組織的致密性良好，但其芯部金相組織索氏體化不充分，可能因為調質處理時升溫不足而含有少量珠光體。

由于曲軸力學性能和硬度已經符合標準要求，同時對未損的一列曲拐進行外形尺寸復測發現依然在設計要求范圍內，并且從斷口分析已知裂紋起源于軸拐表面非軸肩倒圓應力集中處，因此，可以判斷金相組織的瑕疵不是導致本次該曲軸斷裂的主要原因，該曲軸斷裂路線應為：服役初期機器過載事故導致該曲軸電機端曲拐軸頸表面初始微損傷，隨著軸頸與大頭瓦三年多周向過度摩擦并燒瓦，瓦損顆粒導致軸頸面發生肉眼不易察覺的損傷或裂點，使得曲拐在運轉載荷和摩擦造成的繞軸扭矩作用下擴展直至斷裂。

5 結論與建議

(1)該曲軸斷口宏觀形貌有裂紋擴展的貝紋線，微觀形貌呈現疲勞輝紋，屬于典型的疲勞斷裂失效，應是機器首次故障及燒瓦導致的初始微損擴展所致。

(2)該曲軸熱處理不足，其芯部金相組織沒有充分轉變為索氏體，殘余帶狀分布的珠光體等組織，雖然不是本次曲軸斷裂的主要原因，但也是影響曲軸長期服役的致損因素，因此該類零件的熱處理工藝或操作應進行改良，使其獲得合適的內外部組織，為長周期運行提供保障。

(3)該機經歷初期過載事故后應拆解相關聯的運動部件進行必要的量化檢測，防止安裝狀態感性檢查的疏漏造成更多的故障。該機此次曲軸斷裂故障后返廠拆檢修理，復檢相關零部件、更換新曲軸和軸瓦，重新安裝投運后已經連續無故障運行19個月。