氢气压缩机活塞杆断裂失效分析

2019-06-13章建成夏明六

山东化工 2019年10期

章建成，夏明六

(铜陵市特种设备监督检验中心，安徽铜陵 244000)

某化工公司含氢压缩机活塞杆于2017年10月投入使用，投入使用后未足月，巡检人员在例行巡检时发现压缩机异常声响。经过操作人员停机后检查，发现该压缩机缸内活塞杆断裂，经查阅设备台账，该设备投入使用仅22天。活塞杆材质为42CrMoE，该缸内吸气压力为2.11 MPa，排气压力为6.25 MPa；吸气时缸内温度为35 ℃，排气时缸内温度为130 ℃，活塞外径为410mm，压缩机额定功率为3080 KW，转速为295 r/min。为查明活塞杆断裂原因，杜绝类似故障再次发生，对断裂活塞杆进行失效分析。

1 试样制备与试验方法

对活塞杆断裂处进行取样、通过肉眼观察表面断口，线切割制取金相试验试样，通过金相显微镜观察活塞杆的微观组织，采用EDS分析仪分析试样中的合金元素含量以及腐蚀产物成分，线切割制取力学性能试样，并测试断裂处活塞杆的力学性能，用SEM扫描电镜分析活塞杆的断口微观形貌。

2 试验结果与分析

2.1 宏观分析

由图1可知，活塞杆断面与轴线方向垂直，断口由平整和粗糙两个区域部分，粗糙区所在断口面积比例约10%，表明断口基本属于脆性断口。粗糙区为断口最终断裂区，处于断口边缘，断口表面可见断裂放射线并指向最终断裂区，由此可见，表明裂纹源位于活塞杆圆周外缘部位，具有多源性，属于轴向交变应力所导致的疲劳断裂[1]。

图1 活塞杆及其断口宏观照片

2.2 成分分析

EDS能谱成分分析结果表明，活塞杆材料为42CrMo钢(见图2和表1)。由表1可知，活塞杆材料中含有1.10%的Cr和0.32 %的Mo元素，尽管钼含量偏高，可以判断活塞杆实际用钢为42CrMo[1]。42CrMo是一种典型的耐热低合金钢，有良好的高温耐氧化性和高温强度。从表1中还可以看出，活塞杆中P元素含量与GB/T3077标准值相符，但是S元素含量达0.015%，硫元素会引起耐热钢的热脆性[2]，硫元素含量超标对耐热钢的性能是十分有害的，降低活塞杆的高温持久强度和使用寿命。

图2 活塞杆断口EDS成分分析特征谱

表1 活塞杆化学成分分析结果

2.3 显微组织

活塞杆选材为42CrMo钢，供货状态为调质，由显微组织分析可知活塞杆微观组织为回火索氏体+铁素体(见图3)，图中白色条状物为铁素体，索氏体组织较为粗大，颗粒状碳化物分布于铁素体条之间，原马氏体位向明显。由铁素体条的形状、大小和分布可知该活塞杆在淬火时形成的马氏体组织非常粗大，由活塞杆外表面向内，马氏体组织等级依次降低，外表面马氏体等级为8级，半径中部马氏体等级为7级，活塞杆心部马氏体等级为6级[4]。由于活塞杆横截面马氏体组织均较粗大，从而大幅降低了活塞杆的韧性。

图3 活塞杆金相显微照片

由表2可知，活塞杆显微维氏硬度由表及里分别为251 HV0.2、249 HV0.2和235HV0.2，硬度呈现逐渐下降趋势。螺纹表面和螺纹根部硬度基本接近，没有表面脱碳软化现象发生。

表2 活塞杆显微硬度测试结果(HV0.2)

2.4 力学性能

由表3可知，活塞杆的抗拉强度和冲击韧性低于国家标准GB3077-2015中42CrMo钢调质处理后性能标准的要求，塑性尚可。淬火形成的粗大马氏体组织导致韧性下降，最终发生早期疲劳断裂。

表3 活塞杆力学性能数据

2.5 断口形貌

由图3可知，断口表面被腐蚀产物覆盖，局部可粗略观察到疲劳辉纹存在。通过EDS成分分析发现碳元素含量约为14.35%，氧元素含量约为4.67%，并伴有少量0.64%氯元素。断口表面的碳元素可能是由于含碳有机物(如机油等)污染所致，氧元素是由于断口在空气环境中氧化所致。活塞杆本体未与介质相接触，可排除腐蚀疲劳断裂的可能性，由此可断该活塞杆的断裂应为自身韧性不足，在机械交变应力作用下发生的疲劳断裂。