煉油焦化富氣壓縮機十字銷軸斷裂失效檢測

管春健，丁明生

(中國石化揚子石油化工股份有限公司，江蘇南京 210048)

煉油焦化富氣壓縮機十字銷軸斷裂失效檢測

管春健，丁明生

(中國石化揚子石油化工股份有限公司，江蘇南京 210048)

文章對煉油焦化富氣壓縮機十字銷軸斷裂失效的原因進行了分析。從宏觀形貌分析，存在疲勞裂紋所特有的貝殼狀花紋，有銅屑嵌入裂紋內部并在反復擠壓過程中形成銅屑層，可明確判斷該斷口屬于疲勞斷口;從微觀斷口形貌分析，斷口表面深層部位存在疲勞輝紋，疲勞輝紋間距約在2 μm左右，根據疲勞輝紋的間距也可以看出，該螺栓斷口屬于高周疲勞，十字銷軸斷口表面附近材料成分分析的Cu元素含量偏高，斷口表面含有銅屑嵌入物，而斷口表面存在銅屑嵌入物會引起電偶腐蝕，產生腐蝕疲勞，進一步促進疲勞過程的發生和發展。確認十字銷軸斷裂主要是由于高周疲勞開裂引起的，并提出相關建議。

安全閥 彈簧 斷裂 失效

中國石化揚子石油化工股份有限公司煉油廠1.6 Mt/a延遲焦化裝置C201B富氣壓縮機為BDC-2往復式壓縮機，介質為富氣，軸功率353 kW，轉速 1480 r/min，吸氣與排氣壓力分別為0.047和0.0869 MPa、溫度為40和98℃。該壓縮機1995年8月投入使用，期間的檢修中十字銷軸是否更換無記錄記載。2007年2月26日壓縮機出現聲音異常，停車檢查發現十字銷軸斷裂，并將連接氣缸與曲軸箱體的中體部分打裂。隨即從宏觀和微觀斷口形貌分析、材料金相組織及成分檢測、力學性能測試等方面，對壓縮機十字銷軸斷裂失效原因進行了分析。

1 斷口宏觀形貌分析

已經發生斷裂的焦化C201B富氣壓縮機十字銷軸(以下簡稱十字銷軸)見圖1。

從圖1可看出，斷裂起源于十字銷軸外表面，并沿著垂直于軸線的截面發展。斷口表面比較平滑光整，可見疲勞裂紋所特有的貝殼狀花紋，而且斷口表面幾乎沒有任何塑性變形痕跡，考慮到氫氣壓縮機在工作過程中因往復運動所造成的交變應力，可以初步判斷該十字銷軸斷口屬于低應力高周疲勞斷口［1］79。另外，斷口表面尤其是裂紋源區域表面有腐蝕痕跡(斷口表面發黑)，并有黃色銅屑層存在。黃色銅屑層來源于黃銅軸瓦材料，在裂紋形成后由于裂紋刀口對軸瓦的切削作用，使得大量銅屑嵌入裂紋內部并在反復擠壓過程中形成銅屑層，由此亦可明確判斷該斷口屬于疲勞斷口。

2 材料金相顯微組織分析

十字銷軸金相顯微組織照片見圖2。從圖2可以看出，銷軸表面經過滲碳處理，滲碳層深度約1.5 mm。基體組織為回火索氏體，可清晰觀察到板條狀馬氏體的取向，表明該十字銷軸內、外表面在經過調質處理后進行了滲碳表面處理及淬火和回火處理，未見缺陷組織存在。

顯微維氏硬度測試結果見表1，壓痕照片見圖3。顯微維氏硬度測試結果表明，十字銷軸內、外表面硬度為200～500 HV0.2，中心部平均硬度約150 HV0.2，十字銷軸表面(滲碳層)硬度明顯高于心部(基體)硬度，并且硬度過渡平緩，符合滲碳工藝及性能要求。

圖2 十字銷軸金相顯微組織

表1 十字銷軸顯微維氏硬度數據(HV0.2)

圖3 十字銷軸顯微維氏硬度壓痕形貌

3 微觀斷口形貌分析和成分分析

斷口的掃描電鏡(SEM)微觀斷口形貌見圖4。由于斷口屬于低應力高周疲勞斷口類型，因此在疲勞斷口形成過程中兩個相對斷口的相互摩擦比較嚴重，一般淺表面的疲勞輝紋已經被嚴重破壞，但是在斷口表面比較深層部位的疲勞輝紋依然可以保留下來。在圖4中可以看出，表層的疲勞輝紋已經被破壞，但是斷口表面深層部位的疲勞輝紋依然存在，疲勞輝紋間距約在2μm左右，從疲勞輝紋的間距也可以看出，該斷口屬于高周疲勞［1］103。

十字銷軸材料成分分析結果見表2，成分中有質量百分數為1.0%左右的Cr和Mn元素以及質量百分數為0.5%左右的Si元素。主要雜質S和P元素的含量基本符合優質鋼的要求(S元素含量略偏高)，結合金相組織分析結果和熱處理工藝(滲碳處理)，可以初步判斷十字銷軸用鋼為20Cr。值得注意的是，十字銷軸材料成分中Cu元素質量分數偏高(高達0.117%)，由于成分分析取樣部位在斷口表面附近，因此可以判斷斷口表面含有銅屑嵌入物，而斷口表面存在銅屑嵌入物會引起電偶腐蝕，產生腐蝕疲勞［2］，進一步促進疲勞過程的發生和發展。

圖4 十字銷軸微觀斷口形貌SEM

表2 十字銷軸材料X射線熒光光譜成分

4 結論

(1)十字銷軸斷裂主要是由于高周疲勞開裂引起的;

(2)十字銷軸材料為20Cr鋼，并經過調質加滲碳加淬、回火處理，其心部金相顯微組織為回火索氏體。

(3)由于斷口表面明顯可見腐蝕產物和黃色銅屑層存在，不能排除發生腐蝕疲勞的可能性，其原因可能是銅屑和鋼之間發生的電偶腐蝕加速了鋼的疲勞斷裂過程。

(4)建議進一步提高十字銷軸表面切削加工質量，并盡量避免與異種金屬(如銅和黃銅等)的直接接觸。

［1］崔約賢，王長利.金屬斷口分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1998:79，103.

［2］張棟，鐘培道.失效分析［M］.北京:國防工業出版社，2004:147.

Testing of Cracking Failure of Crosshead in Rich Gas Compressor

Guan Chunjian，Ding Mingsheng
SINOPEC Yangtze Petrochemical Company(Nanjing，Jiangsu 210048)

The causes of cracking failure of crosshead of refinery coker＇s rich gas compressor were analyzed.As macro imaging found that there were shell figures unique to fatigue cracking and copper scraps embedded in the cracks forming copper scrap layer by repeated pressing，it was concluded that the fracture is the fatigue fracture.As the micro imaging found that there were fatigue striations in the fracture with a spacing of a bout of 2μm，it was concluded that the bolt fracture suffered from high－cycle fatigue.In additional，the higher Cu in the surface of crosshead and copper scraps embedded in the fracture would cause galvanic corrosion and corrosion fatigue，further accelerating the development of fatigue.The high－cycle fatigue cracking is the culprit of cracking of crosshead and corresponding prevention measures are recommended.

safety valve，spring，fracture，failure

TE986

B

1007－015X(2011)03－0058－04

2010－12－ 12;

2011－03－12。

管春健(1978-)，男，工程師，現在中國石化揚子石油化工股份有限公司煉油廠從事設備管理工作。E-mail:gcjnj@qq.com