氢气增压机活塞杆断裂原因

刘桂连, 高焕丽, 汤秋美, 王传志

(北京燕华工程建设有限公司, 北京 102502)

氢气增压机组的作用是将氢气压力提高后输送到氢气管网，供其他炼油、化工装置使用。氢气增压机的平稳运行直接影响到其他氢气装置的安全、稳定、长周期运行，如发生故障会造成其他装置的非计划停车[1]。

氢气增压机为对称平衡型活塞压缩机，额定转速为300 r/min，行程为360 mm。根据氢气增压机使用说明书、图纸等技术资料可知，活塞杆前端与活塞连接，尾端与十字头连接(见图1)。按照说明书要求将活塞杆安装后，在弹性变形范围内，尾端部分长期承受一定的预拉应力。工作时，尾端与活塞杆的往复运动周期同步，再随着十字头的往复运动，其承受的周期拉应力增加。氢气增压机工作时，活塞杆尾端应力状态在周期拉应力+预拉应力和预拉应力之间循环往复。

某氢气增压机在工作过程中其活塞杆发生断裂,为了查明断裂原因，笔者对其进行了一系列理化检验，并提出了改进措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察

活塞杆、止推圈、活塞杆带压力体部分宏观形貌如图2所示。断裂活塞杆直径为51 mm，活塞杆材料为42CrMoE钢，断裂部位在其尾端，使用约2 a。

止推圈材料为42CrMo钢。

活塞杆两侧断口外圆边缘均有卷边现象，边缘存在锯齿状形貌，断口截面约有一半为平滑区，剩余一半断面可见塑性变形。活塞杆尾端断口与止推圈内圆面宏观形貌如图3所示。

活塞杆尾端断口颈缩现象明显，直径减小了0.5～0.7 mm。在断裂活塞杆外圆面(与止推圈内圆面的接触部位)有磨损痕迹。

止推圈的两个半圈与活塞杆对应处有明显磨损痕迹，磨损痕迹沿轴向长度不等，在止推圈与活塞杆尾端接触的平端面有一圈光亮的冲击压痕，压痕有明显的塑性变形，局部压痕有车刀纹痕迹，其他部位未见车刀纹痕迹，压痕外圈直径与活塞杆尾端尺寸一致，压痕的车刀纹与活塞杆车刀纹一致，压痕深度不一致。

1.2 化学成分分析

按照GB/T 20123—2006 《钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法》、GB/T 223.59—2008 《钢铁及合金 磷含量的测定》、GB/T 223.5—2008 《钢铁 酸溶硅和全硅含量的测定》、GB/T 223.79—2007 《钢铁 多元素含量的测定X-射线荧光光谱法(常规法)》、GB/T 14203—2016 《火花放电原子发射光谱分析法通则》，对活塞杆及止推圈的材料进行化学成分分析，结果如表1所示。

表1 活塞杆与止推圈材料的化学成分分析结果 %

1.3 硬度测试

按照GB/T 230.1—2018 《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》对活塞杆和止推圈分别进行硬度测试，测试结果如表2所示。

表2 活塞杆和止推圈的硬度测试结果 HRC

1.4 力学性能测试

按照GB/T 228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》及 GB/T 229—2020 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，截取拉伸试样和冲击试样，分别进行室温拉伸和冲击试验，结果如表3所示。

表3 活塞杆的力学性能测试结果

1.5 金相检验

按照GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》及 GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验方法》，对活塞杆与止推圈不同位置分别进行金相检验。

(1) 利用光学显微镜对活塞杆尾端端面的非金属夹杂物与显微组织进行观察。非金属夹杂物级别为：B类氧化铝级别，细系0.5级； D类环状氧化物级别,粗系0.5级。显微组织为回火索氏体+铁素体，晶粒度等级为8级(见图4)。

(2) 用光学显微镜对活塞杆尾端断口进行观察，发现组织为回火索氏体+铁素体，断口附近外圆表面组织为回火索氏体，组织不均匀(见图5)。

(3) 用光学显微镜对止推圈内表面进行观察，发现组织为回火索氏体+铁素体(见图6)。

1.6 扫描电镜(SEM)分析

对活塞杆尾端断口进行SEM分析，结果如图7所示。由图7可知：瞬断区及其与平滑区分界线处存在大量微裂纹；平滑区未见微裂纹；贝纹线不清晰，疲劳辉纹方向与疲劳裂纹扩展方向一致；未发现较集中的非金属夹杂物。

2 综合分析

起裂位置在活塞杆外圆表面附近，由外圆表面向心部扩展，裂纹扩展到一定程度后，由一侧向另一侧扩展。

瞬断区及其与平滑区分界线处存在大量微裂纹，说明该处所受载荷大于极限强度，造成活塞杆先变形后断裂，符合瞬断特征。平滑区未见微裂纹，说明平滑区是累积损伤造成的。

由断口分析可知，该断裂属于髙周或超髙周疲劳断裂。

综上所述，可以判断活塞杆的断裂过程如下所述。

(1) 活塞杆尾端部位有伸长变形，活塞杆承受拉应力。

(2) 在工作过程中，活塞杆尾端部位承受300次/min的拉应力交变循环载荷。

(3) 由于活塞杆尾端力学性能不足，使疲劳裂纹萌生。

(4) 活塞杆表面或近表面产生微裂纹，随着交变载荷的作用，裂纹逐渐扩展。

活塞杆尾端断口具有髙周或超高周疲劳裂纹的特征，裂纹的起源位置与工件结构、工件表面的加工精度、表面及近表面的缺陷、表面及近表面的硬度均匀性等有关。

(5) 随着疲劳裂纹的扩展，活塞杆开始产生塑性变形。塑性变形使活塞杆尾端与止推圈之间产生间隙，在随后的工作过程中，活塞杆与止推圈之间相互碰撞，并留下了接触磨损痕迹。

活塞杆硬度高于止推圈硬度，在止推圈表面产生了明显的撞击痕迹；活塞杆与止推圈之间出现了间隙，使撞击痕迹深度不一致，在缺口部位深度较大。

(6) 当活塞杆尾端有效截面积减小到一定程度，且拉应力大于活塞杆的抗拉强度时，发生瞬时断裂。

3 结论及建议

(1) 活塞杆材料的热处理状态未能达到标准要求，以及热处理工艺不当，使材料强度及韧性都降低，力学性能不足，影响了活塞杆的使用性能和寿命。

(2) 活塞杆尾端受拉应力循环载荷作用，最终发生高周或超髙周疲劳断裂。

(3) 建议制造商调整活塞杆的热处理工艺，并及时跟踪产品的性能。

(4) 建议用户在检修期间增加活塞杆的检验次数。对活塞杆长度变化、安装压力、伸长量进行准确记录，以判断活塞杆的变形趋势。