3Cr13不锈钢气阀试样断裂过程的声发射特性

娄燕敏，董奇玮，李子良，刘 坤，焦金龙

（1.东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318；2.北京石油机械厂，北京 10083；3.大庆油田有限责任公司 第四采油厂试验大队，大庆 163000）

气阀是往复式压缩机的主要零部件之一，在压缩机的排气、功率消耗及其可靠运行等方面有着非常重要的作用。而气阀故障是往复式压缩机最常见、易发的主要故障之一；因此，对往复式压缩机气阀进行实时、准确地故障诊断具有重要的意义。3Cr13不锈钢气阀主要用于控制液体、蒸汽、油品、气体等流体流动的压缩机阀，因而在航空、石油、石化等领域得到广泛应用［1－3］。3Cr13不锈钢气阀在使用过程中，经常出现断裂失效现象。为了不损坏往复式压缩机的整体结构及性能，通常采用无损故障诊断技术对往复式压缩机的气阀进行故障检测［4－6］。

声发射技术是一种动态的无损检测技术。材料在受到作用力后，会发生一定的变形、断裂；当内应力超过材料的屈服极限时，材料会进入不可逆的塑性变形阶段。在此过程中，材料会以瞬态弹性波的形式释放应变能，这种现象就是声发射，又称应力波发射。利用声发射技术可监视材料或零件的有害缺陷，并确定发生损伤的载荷、部位及其严重程度。因此，声发射技术在石油、石化、航空、航天等领域得到了广泛的应用［7－11］。笔者利用声发射技术、万能试验机、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等设备分析3Cr13不锈钢气阀试样的损伤线定位声发射特性、断裂声发射特性及其断口形貌和组分，为往复式压缩机气阀的故障诊断提供一种无损诊断方法。

1 试验方法

往复式压缩机气阀试样材料为3Cr13不锈钢，尺寸为φ12mm×80mm。试验在WEW－2000A型万能试验机上进行，采用加载速率为2mm／min的连续加载拉伸试验模式（图1）。用CTS－8077PR型声发射系统记录并分析线定位、幅度以及振铃计数等声发射参数随加载时间的变化。传感器谐振频率150kHz，滤波频宽100～450kHz，门槛40dB，采用真空脂耦合，按传感器尺寸截取特定长度的橡皮筋固定，通过断铅标定确认耦合良好。使用某公司生产的S3400型扫描电镜观察3Cr13不锈钢试样的断口表面形貌，使用某公司生产的X－Flash610C型X射线能谱仪对断口成分进行分析。

图1 拉伸试验示意图

2 结果与分析

2.1 试样损伤线定位声发射特性分析

图2为相同载荷条件下，气阀试样断裂的线定位声发射特性分布图。由图2可知，气阀试样在距离3号传感器30mm处出现较强声发射峰，呈现试样区域损伤特点，而该处为气阀试样的断裂部位。这是因为，在气阀试样拉伸过程中，其中部区域因承受较大载荷而发生拉伸变形，进而发生区域损伤和断裂。

图2 试样断裂过程线定位声发射特性分布

2.2 试样断裂声发射特性分析

对3Cr13不锈钢气阀试样进行拉伸试验，试样拉伸载荷、幅度随试验时间的变化规律如图3所示。由图3可见，在拉伸时间为175.5s时，气阀试样发生断裂，其声发射幅度最大为84dB。另外，气阀试样在断裂过程中还出现了一些幅度为43～80dB的信号，这些信号为试样内部晶界损伤及微裂纹等机制所致［12－13］。还可看出，气阀试样的最大加载载荷为83kN。

图3 气阀试样断裂过程声发射特性

图4为气阀试样进行拉伸试验时的振铃计数与挠度声发射特性曲线。从图4可看出，当气阀试样的挠度为0.48，0.74时，气阀试样的振铃计数分别为3.7×103，27.1×103个。因此，A1和A2两点分别为气阀试样的起始损伤和严重损伤阶段。

图4 气阀试样振铃计数与挠度声发射特性曲线

2.3 试样断口形貌和能谱分析

图5为气阀试样断口的扫描电镜照片，图5（a）为气阀试样断口的表面形貌，图5（b）为气阀试样断口横截面的表面形貌。由图5（a）可见，气阀试样在承受83kN拉力时，试样表面呈现规则的层状形貌，这是因为气阀试样承受的最大应力超过了其屈服极限。另外，气阀在频繁往复运动时，已达到其疲劳极限，而导致气阀试样发生断裂［14－15］。由图5（b）可见，在气阀试样的断口内部存在大量微裂纹，这就是气阀试样在断裂过程中产生幅度为43～80 dB信号的主要原因。

图5 气阀试样断口的表面形貌扫描电镜照片

利用能谱仪对3Cr13不锈钢气阀试样断口进行成分分析，结果如图6所示。由图6可知，在气阀试样断口表面，其主要成分为Cr元素（重量百分比含量为13.8%），其次为C和Si元素，而K和Fe元素则是由于试验时钢材夹具夹持试样产生的干扰结果。

图6 气阀试样断口的能谱图

3 结论

（1）3Cr13不锈钢气阀试样在距离3号传感器30mm处出现较强声发射峰，在拉伸时间为175.5s时，气阀试样发生断裂，其声发射幅度最大为84dB。在断裂过程中，气阀试样还出现一些幅度为43～80 dB的信号，其最大加载载荷为83kN。当气阀试样的挠度为0.48，0.74时，气阀试样的振铃计数分别为3.7×103，27.1×103个。

（2）3Cr13不锈钢气阀试样在承受83kN拉力时，断口呈现规则的层状形貌。在阀试样断口上的大量微裂纹，是断裂过程中产生幅度为43～80dB信号的主要原因。在气阀试样断口表面，其主要成分为Cr元素（重量百分比含量为13.8%），其次为C和Si元素，而K和Fe元素则是外界试验干扰的结果。

（3）声发射技术是一种有效的往复式压缩机气阀无损故障的诊断方法。

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