甲烷制冷壓縮機中間體連接螺柱斷裂原因分析

王杜娟

（中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271）

0 引言

某車間發現甲烷制冷壓縮機的一級活塞蓋沿活塞運動方向的振動從4月份測量值的5.0mm/s增加到7.8mm/s（現場用測震筆測量），車間隨即對一段中間體與缸體連接螺柱進行檢查（該部位螺柱多次斷裂），發現有3根螺柱已發生斷裂，斷裂位置如圖1所示。斷裂螺柱材質為42CrMoE，已連續使用了 半年。

圖1 斷裂螺柱的位置

該甲烷制冷壓縮機是進口設備，斷裂部位的螺柱最早是隨整機進口。本次斷裂螺柱是更換后的國產螺柱。

1 檢驗檢測

1.1 宏觀檢驗

對送檢的3根螺柱進行宏觀檢驗。2根螺柱的斷裂位置在螺紋處，1根位于光桿處，如圖2所示，3根斷裂螺柱對應的宏觀斷口如圖3所示。3根螺柱的光桿處機加工痕跡均較明顯。從斷口上可以看出，斷裂在螺紋處的斷口呈臺階狀，斷裂在光桿處的斷口較平齊。3個螺柱的斷口均呈現疲勞斷裂特征。在螺紋處斷裂的斷口的疲勞源有多個，疲勞源位于螺紋根部。在光桿處斷裂的斷口疲勞源為表面機加工痕跡處。

圖2 壓縮機螺柱斷裂位置

圖3 三個斷裂螺柱對應的宏觀斷口

1.2 體視顯微鏡觀察

對3個斷口在體視顯微鏡下進行觀察，斷口形貌如圖4所示。螺紋處斷裂的斷口上，疲勞源位于螺紋根部，光桿的則位于機加工痕跡處。

圖4 體視顯微鏡下斷口形貌

1.3 化學成分分析

選取一根螺柱取樣進行化學成分分析，結果如表1所示。符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》標準對42CrMoE的要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分分析結果

1.4 硬度檢測

選取一根螺柱進行硬度檢測，硬度平均值240HB，參照GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能》中要求8.8級螺柱的硬度值245～316HB，檢測結果硬度值偏低。

1.5 力學性能檢測

由于送檢的螺柱長度不足，且車間沒有同批次的螺柱，故無法進行力學性能檢測。

1.6 金相檢驗

選取2根螺柱進行金相檢驗，金相組織為回火索氏體+鐵素體。組織未見明顯異常。

圖5 螺柱金相照片

1.7 工況分析

據廠方介紹，螺柱斷裂前一個月，壓縮機一級活塞蓋沿活塞運動方向的振動從5.0mm/s增加到7.5mm/s（現場用測震筆測量），隨后發現送檢的3根螺柱已發生斷裂。緊急停機處理后振值為 6.2mm/s。

以往該部位的螺柱曾多次斷裂。首次斷裂發生在本次斷裂22個月前，共2條，為日本原裝，斷裂部位位于底部筋板兩側。更換為35CrMo材質的螺栓后，在相同位置又發生了4次斷裂，時間分別為本次斷裂前的16個月、14個月、12個月及6個月。后更換為42CrMoE材質的螺栓后再次發生斷裂。這5次螺柱斷裂前機組的振動值均發生突變。

從最開始日本隨整機進口的螺柱斷裂后更換過35CrMo和42CrMoE兩種材質的螺柱，均發生短時間的斷裂，斷裂位置均位于6點鐘方向底部筋板兩側。

本次斷裂后在現場發現壓縮機在與螺柱斷裂對應位置的支撐有開裂（壓縮機共4處支撐），此時在中間體垂直位置用測震筆進行振動測量，振動值為2.1mm/s。對開裂的支撐進行補焊后，振動值降為1.5mm/s，支撐開裂部位及補焊如圖6所示。初步分析支撐開裂補焊后降低了振動值。

圖6 與壓縮機斷裂螺柱對應位置支撐開裂及補焊后照片

匯總部分中間體垂直位置的振動值，如表2所示。從表2可以看出，①壓縮機的中間體垂直位置的振動值波動較大，在1.4～2.4mm/s間波動。2.4mm/s的數值出現在本次螺柱斷裂的同一天；②對支撐補焊后，振動值降低為1.5mm/s，一周后測得的振動值為1.6mm/s，基本保持平穩；③壓縮機的振動值較 平穩。

表2 斷裂螺栓的硬度檢測結果（HB）

表2 中間體垂直位置振動測量值（mm/s）

2 失效分析

從檢驗檢測可知，斷裂螺柱的材質符合標準要求，硬度值稍低于標準要求，金相組織正常。

宏觀檢驗及體視顯微鏡觀察可知，3根螺柱的斷裂均為疲勞斷裂。2根螺柱的斷裂位置在螺紋處，1根位于光桿處，螺紋斷裂的斷口的疲勞源有多個，疲勞源位于螺紋根部。光桿斷裂的斷口疲勞源為表面機加工痕跡處。螺紋根部及機加工痕跡明顯部位均存在形狀突變，這些形狀突變部位在使用過程中容易形成應力集中并產生疲勞源。

從斷裂螺柱的安裝位置及支撐開裂后補焊等分析，螺柱斷裂與壓縮機異常振動有關，不排除支撐開裂對其的影響。

綜上所述，斷裂螺柱使用過程中承受較大的振動，形狀突變位置產生應力集中并萌生疲勞裂紋源，并在使用過程中發生擴展，最終斷裂。壓縮機異常振動是螺柱斷裂的主要原因，螺柱的機加工痕跡較明顯及硬度偏低是斷裂的次要原因。

3 結論

螺柱斷裂是疲勞斷裂。壓縮機異常振動是螺柱斷裂的主要原因，螺柱本身機加工痕跡較明顯及硬度偏低是斷裂的次要原因。

4 意見及建議

（1）監控壓縮機的振動在設計范圍內；

（2）對要更換上的螺柱進行宏觀檢查及理化性能抽查，加強螺柱的制造質量控制：如螺柱表面光潔度、硬度、金相組織等，排除由于螺柱本身材質等造成的斷裂；

（3）利用檢修等機會，舉一反三，檢查其他部位螺柱等零部件。