往復壓縮機曲軸斷裂失效分析

尤圣斌 余敏 王李勇

摘要：曲軸是發動機、往復壓縮機中的關鍵運動部件。往復壓縮機是石油石化行業最重要的生產設備之一。曲軸是往復壓縮機中動力傳遞的重要零件，長期工作在扭轉、拉壓等交變應力的作用下。裂紋是曲軸發生故障的最危險、最頻繁的故障之一。由于曲軸工作在密閉的箱體之中，出現裂紋的曲軸早期狀態變化不明顯，曲軸裂紋很難被發現。這給往復壓縮機安全運行埋下了安全隱患。本文就往復壓縮機曲軸斷裂失效展開探討。

關鍵詞：壓縮機;曲軸;疲勞斷裂;過載

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列立式壓縮機，電機功率為185kW，轉速為750r/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。

1開裂原因分析

曲軸在運行時可能會出現多次曲柄銷開裂，并且兩側大頭瓦出現短時間的疲勞失效問題，電動機在運行過程中出現一些異常聲音，我們可以對壓縮機在整個制造，設計，維護等過程進行分析。首先采用300mm直徑的曲軸時其連桿大頭瓦會在短時間內出現疲勞損傷，并且在電動機運行時產生異常聲音和較大的振動，經過5500h的運行時間之后存在曲柄銷開裂問題，而在使用直徑為280mm的曲軸時，在運行13000h時沒有出現任何開裂問題，而且整個電動機在運行中正常，未發生異常聲音，大頭軸承壽命相對之前有所延長，在振動中產生的噪音較小。兩根曲柄銷開裂曲軸直徑為300mm，這種毛坯是由不同廠商生產的，經過化學成分、力學性能檢測為合格。比較300mm和280mm之間的曲軸其在加工過程中誤差在允許的范圍內。在設計機組時并沒有對軸系完成扭轉振動計算，且確定裂紋與曲柄銷中心線呈現45度。在處于交應變作用下很容易產生疲勞損傷，機身主軸軸承與水平度誤差在允許范圍內。通過對上述問題進行分析，我們發現直徑為300mm的曲軸在一級曲柄銷處出現開裂主要是由于軸系扭轉振動，而針對直徑為300mm的曲軸出現連桿大頭瓦在短時間內疲勞損傷，在電動機運行時很容易產生異常聲音，也是與軸系扭轉振動存在聯系的。在具體分析原因中，我們發現有由于三根曲軸在一級曲柄銷是由不同供應商鍛造的，并且曲柄銷產生的裂紋具有顯著的疲勞損傷癥狀，因此我們可以排除曲柄銷在設計，使用，制造等方面的問題。往復壓縮機的曲軸是與電動機轉子連接在一起的，能夠形成多質量軸系，而且具有一定彈性關系的自由扭轉振動特點，在其運行過程中軸系會受到往復慣性力以及氣體力的周期性變化，產生的激振力及作用，并且按照其作用頻率出現強制振動。當軸系的扭轉振動固有頻率與激振頻率接近時或者呈現呈現倍數關系，并且軸系很容易產生強烈扭轉振動會加速零部件的損傷，并且使其在使用中產生較大噪音，甚至還會出現開裂問題，降低其運行可靠性。根據有關要求供方需要對往復壓縮機的部分裝置進行扭轉分析，而且研究學者在進行扭轉振動計算過程中發現，對于兩列和四列壓縮機其在扭轉振動中不會產生危險，而對于六列之上的壓縮機由于其列數增加，并且相應的直徑也會增加，導致其固有頻率降低，很容易處于名義轉速范圍中，破壞軸扭轉振動產生的振動應力?；诹兄系那S其安全系數相對系列來說要高，并且六列以上的曲軸在設計中需要重點分析振動應力問題。當曲軸本身或相連的電動機或者連桿大頭瓦出現異常振動時，需要考慮采取有效措施以降低軸系的扭轉振動，使用不同直徑的曲軸，軸系扭轉振動的固有頻率是相同的，在軸系相同材料和尺寸下，固有頻率是與直徑的平方成正比的，當曲軸直徑為300mm時，相比直徑為200mm的曲軸其固有頻率有所降低，能夠有效避免出現共振區，進而降低曲軸扭轉振動，對于已經失效的大頭瓦工作面會產生不同凹坑，其邊緣不規則，具有顯著的快速疲勞損傷的問題，對于扭轉振動較強或者導致油膜壓力顯著變化。在軸瓦外產生較大沖擊力，使軸瓦在短時間中出現裂紋并以較快的速度向內部進行裂紋的擴展，此外還會導致連桿大頭瓦和軸承油膜破壞時表面出現咬粘，導致產生新的裂紋，在軸瓦運行需要還會不斷拓展裂紋，使裂紋上下逐漸拓展甚至達傷痕，會形成新的裂紋源，在軸瓦運行過程中還會使裂紋不斷拓展。這些裂紋向下拓展達到鋼和合金結合面之后還會沿結合線繼續拓展。對強烈的扭轉振動會使其電動機在運行時出現轉子和定子的顯著變化，而使定、轉子間的空氣流速變化引起磁場脈沖和氣流噪聲增加，最終導致電動機在運行過程中出現異常噪聲。

2曲軸性能分析

（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，測定結果表明曲軸材質完全符合JB/T6908標準要求，并且材質成分中不含金屬Sn。（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，曲軸的機械性能符合JB/T6908標準要求。（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，結果顯示：（a）曲軸材料致密性良好，未見微觀孔洞、裂紋等缺陷;（b）曲軸表面組織為隱針馬氏體，符合該軸精加工后表面經過高頻淬火的熱處理狀態;（c）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，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。

3幾何模型

為了減少不必要的工作量，節省計算時間，在建立幾何模型時，將一些對分析結果影響較小的因素做了適當的簡化：（1）為保證網格質量，避免局部網格過密，忽略了軸頸處的圓角和凸臺;（2）所有載荷均平行曲軸轉動平面作用在曲軸上，并認為沿軸頸厚度方向均勻分布;（3）靜力分析中，不考慮曲軸振動應力，加工制造和裝配誤差引起的軸系附加應力;（4）對于軸系中不是均質量分布的部件，如飛輪及電機轉子，轉化為均質量圓盤，但須保證轉化前后的轉動慣量和質量相等.

結語

（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。

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