氫氣壓縮機活塞桿斷裂失效分析

李蔚鵬 楊明明 鄭瑾

摘要：壓縮機是石油化工等行業重要的生產設備之一，其運行周期長短直接影響到企業的安全及生產效益。因此，業內對往壓縮機檢測及重視程度越來越高，而活塞桿斷裂是往壓縮機運行事故的主要原因之一，活塞桿發生突然斷裂失效給石化企業安全生產帶來很大的威脅。基于此，本文主要對氫氣壓縮機活塞桿斷裂失效進行分析探討。

關鍵詞：氫氣壓縮機;活塞桿;斷裂失效

前言

據不完全統計，活塞桿斷裂在氫氣壓縮機的失效事故中十分普遍，由活塞桿斷裂引起的氫氣壓縮機連鎖破壞，甚至造成重大人員傷亡和經濟損失的事故時有發生。作者以某石化企業從國外進口的一臺氫氣壓縮機斷裂活塞桿作為研究對象，探討活塞桿失效原因，并提出改進建議。

1 試樣制備與試驗方法

對活塞桿斷裂處進行取樣、通過肉眼觀察表面斷口，線切割制取金相試驗試樣，通過金相顯微鏡觀察活塞桿的微觀組織，采用EDS分析儀分析試樣中的合金元素含量以及腐蝕產物成分，線切割制取力學性能試樣，并測試斷裂處活塞桿的力學性能，用SEM掃描電鏡分析活塞桿的斷口微觀形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀分析

由圖1可知，活塞桿斷面與軸線方向垂直，斷口由平整和粗糙兩個區域部分，粗糙區所在斷口面積比例約10%，表明斷口基本屬于脆性斷口。粗糙區為斷口最終斷裂區，處于斷口邊緣，斷口表面可見斷裂放射線并指向最終斷裂區，由此可見，表明裂紋源位于活塞桿圓周外緣部位，具有多源性，屬于軸向交變應力所導致的疲勞斷裂。

2.2成分分析

EDS能譜成分分析結果表明，活塞桿材料為42CrMo鋼（表1）。由表1可知，活塞桿材料中含有1.10%的Cr和0.32%的Mo元素，盡管鉬含量偏高，可以判斷活塞桿實際用鋼為42CrMo。42CrMo是一種典型的耐熱低合金鋼，有良好的高溫耐氧化性和高溫強度。從表1中還可以看出，活塞桿中P元素含量與GB/T3077標準值相符，但是S元素含量達0.015%，硫元素會引起耐熱鋼的熱脆性，硫元素含量超標對耐熱鋼的性能是十分有害的，降低活塞桿的高溫持久強度和使用壽命。

2.3顯微組織

活塞桿選材為42CrMo鋼，供貨狀態為調質，由顯微組織分析可知活塞桿微觀組織為回火索氏體+鐵素體，圖中白色條狀物為鐵素體，索氏體組織較為粗大，顆粒狀碳化物分布于鐵素體條之間，原馬氏體位向明顯。由鐵素體條的形狀、大小和分布可知該活塞桿在淬火時形成的馬氏體組織非常粗大，由活塞桿外表面向內，馬氏體組織等級依次降低，外表面馬氏體等級為8級，半徑中部馬氏體等級為7級，活塞桿心部馬氏體等級為6級。由于活塞桿橫截面馬氏體組織均較粗大，從而大幅降低了活塞桿的韌性。

由表2可知，活塞桿顯微維氏硬度由表及里分別為251HV0.2、249HV0.2和235HV0.2，硬度呈現逐漸下降趨勢。螺紋表面和螺紋根部硬度基本接近，沒有表面脫碳軟化現象發生。

2.4力學性能

活塞桿的抗拉強度和沖擊韌性低于國家標準GB3077-2015中42CrMo鋼調質處理后性能標準的要求，塑性尚可。淬火形成的粗大馬氏體組織導致韌性下降，最終發生早期疲勞斷裂。

2.5斷口形貌

斷口表面被腐蝕產物覆蓋，局部可粗略觀察到疲勞輝紋存在。通過EDS成分分析發現碳元素含量約為14.35%，氧元素含量約為4.67%，并伴有少量0.64%氯元素。斷口表面的碳元素可能是由于含碳有機物（如機油等）污染所致，氧元素是由于斷口在空氣環境中氧化所致。活塞桿本體未與介質相接觸，可排除腐蝕疲勞斷裂的可能性，由此可斷該活塞桿的斷裂應為自身韌性不足，在機械交變應力作用下發生的疲勞斷裂。

3 活塞桿斷裂失效對策措施

3.1活塞桿制造結構改進

活塞桿結構的改進也會對壽命延長起到作用，重新設計活塞桿的結構，將活塞體與活塞桿緊固方式由電加熱形式更改為超級螺母形式，超級螺母指的是超強的預緊力，有一個頂錐螺母，螺母上還有一圈小螺釘，逐級緊固，利用普通的扭矩扳手也可達到極高的緊固力。

3.2原料管理控制措施

在活塞桿運行環境中，介質對活塞桿的影響是至關重要的，因此，作者及時調整、優化原料的工藝參數，并與生產調度部門協商控制原料管理，尤其是調度與罐區原料流程變更的操作管理，強化工藝紀律管理，平穩上游裝置操作，加強預加氫原料監控，主要目的是降低原料重組分含量及烯烴含量，杜絕原料受污染。加工二次組分油時，要進行全面評估，裝置正常生產過程中在重整裝置入口定期采樣監測原油的密度、含水、鹽、硫、酸值等性質，嚴格控制硫含量，要求檢驗分析結果明確進料硫含量的具體數據，利用低硫進料對反應系統設備進行鈍化。

3.3工藝操作控制措施

在活塞桿使用過程中，除了介質的影響，人對設備的操作正確與否也是一個關鍵因素，設備操作不當，也會造成設備提前老化，減少設備的使用壽命。因此作者在工藝操作規程中增加了部分新的內容，以確保設備的正常運行。主要內容是要求：

（1）在生產運行中確保工藝流程中空冷A101A-D全部正常投用，盡量降低介質進入罐V103溫度，減少介質帶液。

（2）控制好罐V103液位，在保證介質不串氣的情況下，盡量拉低V103液位。加大入口分液罐V104體積，同時要切實做好入口分液罐V104的排液工作，對V104每12小時排液一次，做好記錄，防止介質帶液。

（3）加大管線入口伴熱蒸汽線的伴熱，提高壓縮機入口溫度和出口溫度，盡量避免介質中的烴類成液態。

4、結論與建議

活塞桿的失效形式為疲勞斷裂，裂紋起源位于第二道螺紋根部。活塞桿的熱處理工藝不當使得活塞桿各部位組織極不均勻，導致活塞桿材料的屈服強度、抗拉強度、硬度、沖擊韌度等多項力學性能均不滿足標準要求，特別是螺紋區域的強度遠遠達不到要求，這是活塞桿過早發生疲勞斷裂的主要原因。為防止類似事故的再次發生，建議：嚴格控制活塞桿的熱處理工藝，確保材料的組織與力學性能滿足要求;活塞桿投入使用前，應嚴格進行表面質量檢查和探傷，對服役活塞桿，應定期進行表面微裂紋檢驗，預防微裂紋源誘導活塞桿過早發生疲勞斷裂。

參考文獻：

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