往復式壓縮機缸套斷裂失效分析

鮑 軍 張成彥 張二新 姜慧君 潘藝昌

（合肥通用機械研究院壓縮機技術國家重點實驗室 合肥）

一、前言

缸套是壓縮機中的主要部件，當壓縮機轉速壓力較高或壓縮介質具有腐蝕性時，氣缸鏡面往往磨損較快，致使壓縮機運行周期縮短。采用缸套的優點在于缸套磨損后可拆卸下來更換而不必加工氣缸，可根據工況特點使用較好的耐磨材料或耐腐蝕材料以減少維修工作量，此外還可以通過改變缸套厚度來適當變更壓縮腔直徑。

壓入氣缸內壁的缸套在壓縮機運行過程中和活塞環是一對薄壁耐磨摩擦副，缸套在高溫高壓、無油潤滑甚至有腐蝕環境下作高速相對運動，承受很大的機械負荷、熱負荷以及電化學腐蝕的侵害。因此，在使用過程中往往會產生磨損、穴蝕、裂紋等失效。某焦化廠6M32型往復式壓縮機，使用過程中發現第五級氣缸運行時有異常響聲，拆檢后發現第五級缸套裂紋。該缸套設計材料為QT600-3，失效前累計運行300 h。失效事故給正常生產造成重大影響，分析缸套斷裂失效原因，對缸套在檢驗和裝配結構優化等方面提出改進建議。

二、缸套應力分析（計算略）

1.應力計算

缸套材料QT600-3，彈性模量E1=148×103MPa，泊松比μ1=0.3，線膨脹系數 α1=10×10-6℃-1；氣缸材料 35#鋼，彈性模量E2=200×103MPa，泊松比 μ2=0.3，線膨脹系數 α2=12×10-6℃-1。

（1）缸套與氣缸壁之間的接觸壓力。由于過盈及氣體壓力的作用，使氣缸與缸套壁面間產生壓力，計算得到接觸壓力在12.67～14.34 MPa。

（2）缸套內外表面應力。計算得到缸套內表面切向應力4.86 MPa，缸套內表面徑向應力-15 MPa，缸套外表面切向應力2.53 MPa，氣缸套外表面徑向應力-12.67 MPa。

（3）缸套的溫度應力。經計算，缸套內表面溫度85℃，缸套外表面溫度40.51℃。缸套沿壁厚方向存在溫度梯度，因此缸套內層材料出現壓縮應力，外層材料出現拉伸應力。

計算后得到，缸套內表面切向溫度應力為-49.12 MPa，缸套外表面切向溫度應力為44.94 MPa

（4）缸套的當量應力。缸套內表面當量應力-39.77 MPa，缸套外表面當量應力51.28 MPa。

2.強度校核

缸套材料為QT600-3，根據壓縮機設計手冊的規定，干式鑄鐵缸套許用應力為60 MPa，缸套內表面當量應力小于干式鑄鐵缸套許用應力，缸套外表面當量應力小于干式鑄鐵缸套許用應力。由此可見缸套強度校核合格，缸套設計足夠安全。

三、缸套斷裂原因分析

對失效缸套取樣進行了相關理化分析，發現失效缸套所用材料各項參數均不滿足QT600-3材料的標準要求，僅相當于HT150的性能水平，其中抗拉強度平均值僅有標準要求值的36%，屈服強度平均值僅有標準要求值的24%，球化級別也未能達標。

根據測試結果分析，失效缸套實際材料的疲勞極限σ-1僅為65 MPa，實際安全系數僅為1.41，遠低于許用安全系數3.5。由此可見，缸套斷裂失效的原因是缸套材料為灰鑄鐵，不符合采用球墨鑄鐵的設計要求。由于灰鑄鐵強度低、韌性差，因此導致缸套在使用過程中內壁產生裂紋并快速脆性擴展，最終造成缸套斷裂。

四、影響缸套強度的其他因素

在缸套設計和使用過程中，為避免出現缸套斷裂失效的現象產生，往往會考慮通過增加缸套壁厚來提高缸套強度或者提高缸套裝配過盈量來降低缸套竄動的概率。對此，通過對比計算缸套選用不同壁厚以及不同裝配過盈量時安全系數的變化、總結其規律，以便為缸套的設計和維修提供理論依據。對比計算結果見表1。

表1 不同壁厚和過盈量對比計算結果

五、結論和建議

1.結論

（1）從強度校核計算的結果來看，設計條件下的QT600-3材料缸套的強度足夠安全。但是從實際材料檢測發現，開裂缸套所用材料各項參數均不滿足QT600-3材料的標準要求，實際安全系數遠低于許用安全系數，因此判斷缸套材料不達標是造成其開裂的最主要原因之一。

（2）對缸套當量應力的構成分析會發現其中溫度應力占了非常大的比重。如果由于環境溫度的變化或缸內潤滑不足造成排氣溫度升高將會對缸套的表面當量應力造成顯著升高，如排氣溫度由140℃升至160℃，缸套內表面當量應力將會增大22%；如排氣溫度由140℃升至180℃，缸套內表面當量應力將會增大45%；

（3）從對比計算的結果來看，增加缸套壁厚對于缸套安全性的提高能夠起到一定的作用，但提高程度并不明顯，因此原始設計的壁厚足夠安全。

（4）從對比計算的結果看，增加氣缸體與缸套裝配過盈量在一定程度上會降低缸套安全性，因此原始設計的裝配過盈量足夠安全。但從實物觀察，缸套與氣缸的配合面貼合程度不是很好，有可能出現局部接觸應力過大的情況，因此在許用安全系數內可以適當增加缸套過盈量。

2.建議

（1）缸套在具體生產和使用過程中需要嚴格檢驗，確保缸套的機械強度、金相組織、尺寸精度、形位公差及表面粗糙度等符合國家標準中的技術要求和產品圖樣規定，以免留下瑕疵埋下隱患。

（2）由于排氣溫度的升高會顯著增加缸套應力，因此在壓縮機運行過程中需要實時關注氣缸的潤滑情況和排氣溫度，以避免排氣溫度過高。

（3）由于缸套長徑比較大，在許用安全系數內可以適當增加缸套過盈量，同時在加工過程中嚴格控制外表面圓柱度和粗糙度，避免過盈結合面接觸不均勻而出現局部接觸應力過大的情況。