往復(fù)式壓縮機(jī)具有適用壓力范圍廣、穩(wěn)壓能力強(qiáng)、能耗小、對(duì)材料要求低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于天然氣集輸場(chǎng)站。往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在使用過(guò)程中,其部件經(jīng)常發(fā)生損壞,給企業(yè)安全生產(chǎn)造成很大的威脅。往復(fù)式壓縮機(jī)中的余隙缸標(biāo)尺導(dǎo)架是易損部件之一,及時(shí)分析其損傷的原因并加以改進(jìn),對(duì)優(yōu)化制造工藝、提升制造質(zhì)量具有指導(dǎo)性意義[1－3]。 

某公司在對(duì)一臺(tái)用于集輸增壓的分體式往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行8 000 h的停機(jī)維護(hù)保養(yǎng)時(shí),發(fā)現(xiàn)其左側(cè)機(jī)組150 mm余隙缸標(biāo)尺導(dǎo)架連接法蘭存在裂紋,該壓縮機(jī)進(jìn)氣量為1.5×106 m3,出氣量為1.5×106 m3,進(jìn)氣壓力為0.5 MPa,出氣壓力為1.2 MPa,標(biāo)尺導(dǎo)架的材料為MTCrMoCu－250鋼,標(biāo)尺導(dǎo)架本體高度為260 mm,連接法蘭厚度為28 mm,法蘭過(guò)渡段存在高度約為3 mm的凸臺(tái)且無(wú)倒角,法蘭面均勻分布有10個(gè)直徑為18 mm的螺栓孔。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法[4－5],分析了連接法蘭開(kāi)裂的原因,以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

開(kāi)裂標(biāo)尺導(dǎo)架整體及裂紋宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：標(biāo)尺導(dǎo)架手輪及法蘭的防護(hù)漆完好,活塞桿及活塞表面光亮且附有少量油漬,無(wú)明顯氧化、腐蝕、機(jī)械損傷等痕跡；連接法蘭上存在3條裂紋,裂紋1沿法蘭凸臺(tái)根部環(huán)向擴(kuò)展,裂紋無(wú)分叉,長(zhǎng)度約為法蘭內(nèi)側(cè)周長(zhǎng)的7/10；裂紋2和裂紋3由環(huán)向裂紋擴(kuò)展至螺栓孔,無(wú)分叉,由法蘭上部向下部擴(kuò)展,沿法蘭壁厚方向觀察,裂紋3已貫穿法蘭壁厚；根據(jù)裂紋布局、形態(tài)及擴(kuò)展方向可判斷,裂紋1為主裂紋,其開(kāi)口最大處為啟裂部位,裂紋2、裂紋3為支裂紋,啟裂于法蘭頂面。 

圖  1  開(kāi)裂標(biāo)尺導(dǎo)架整體及裂紋宏觀形貌

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

沿裂紋人工打開(kāi),對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷口表面粗糙,存在金屬顆粒,有起伏,斷裂面周邊無(wú)明顯塑性變形,呈脆性開(kāi)裂特征。 

圖  2  斷口的宏觀形貌

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1.2   金相檢驗(yàn)

在連接法蘭上取樣并對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：連接法蘭的顯微組織為索氏體＋珠光體＋片狀石墨＋碳化物,且以珠光體組織為主,珠光體含量大于95%,其顯微組織滿足JB/T 6431—2013 《容積式壓縮機(jī)用灰鑄鐵件技術(shù)條件》的要求。 

圖  3  連接法蘭的顯微組織形貌

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)裂紋1尖端部位進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：法蘭部位裂紋沿石墨片擴(kuò)展,裂紋無(wú)分叉,從尖端觀察,裂紋不連續(xù)；石墨以片狀為主,少量石墨呈塊狀,并存在粗大石墨。經(jīng)測(cè)量,片狀石墨寬度約為2.5 μm,粗大石墨寬度約為14 μm,依據(jù)GB/T 7216—2009 《灰鑄鐵金相檢驗(yàn)》,判斷石墨長(zhǎng)度級(jí)別為3級(jí)。 

圖  4  裂紋1尖端部位的微觀形貌

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

1.3   掃描電鏡(SEM)分析

采用掃描電鏡對(duì)裂紋1尖端部位進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裂紋沿石墨片呈不連續(xù)擴(kuò)展形貌,試樣內(nèi)存在夾雜及孔洞等缺陷；試樣表面有較多寬度較大且不密實(shí)的石墨片,試樣邊緣及內(nèi)部存在沿石墨片方向分布的裂紋,經(jīng)測(cè)量,該類石墨片寬度均大于6 μm。 

圖  5  裂紋1尖端部位的SEM形貌

在人工打開(kāi)斷口處取樣,采用掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣斷面呈解理開(kāi)裂特征,局部存在韌窩及顆粒狀?yuàn)A雜物。 

圖  6  斷口的SEM形貌

1.4   壓痕試驗(yàn)

在裂紋1尖端部位的無(wú)裂紋處取樣,采用布氏硬度試驗(yàn)方法對(duì)試樣加載試驗(yàn)力,壓痕試樣的宏觀形貌如圖7所示。 

圖  7  壓痕試樣的宏觀形貌

壓痕試樣取樣部位經(jīng)滲透檢測(cè)后并未發(fā)現(xiàn)裂紋,采用掃描電鏡對(duì)壓痕試驗(yàn)前后的試樣進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：試驗(yàn)前A區(qū)存在貫穿表面的裂紋,裂紋位于長(zhǎng)度約為160 μm的石墨片內(nèi),壓痕試驗(yàn)前后裂紋未發(fā)生擴(kuò)展；試驗(yàn)前B區(qū)存在未貫穿表面的埋藏型裂紋,長(zhǎng)度約為550 μm,裂紋沿石墨片擴(kuò)展。對(duì)比壓痕試驗(yàn)前后試樣的SEM形貌可知,尺寸較大的石墨片內(nèi)易出現(xiàn)裂紋,埋藏裂紋發(fā)生明顯擴(kuò)展。 

圖  8  壓痕試驗(yàn)前后試樣的SEM形貌片

進(jìn)一步分析壓痕周邊裂紋的擴(kuò)展情況,對(duì)試樣的壓痕處進(jìn)行SEM分析,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：試驗(yàn)前石墨片內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋,在一定的外力作用下,石墨片內(nèi)產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向擴(kuò)展的裂紋,但尺寸較小的石墨(長(zhǎng)度小于50 μm,寬度小于3.6 μm)受影響程度較低。 

圖  9  試樣壓痕處的SEM形貌

1.5   力學(xué)性能測(cè)試

在連接法蘭表面無(wú)缺陷部位取樣,對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的硬度不滿足JB/ZQ 4340—2006 《耐磨鑄鐵》對(duì)Cu－Cr－Mo合金鑄鐵及JB/GQ 0033—1998 《耐摩鑄鐵》對(duì)MTCrMoCu－250鋼的要求。 

1.6   垢物成分分析

對(duì)裂紋3裂紋面附著垢物進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表3所示。由表3可知：垢物中含有較多的C元素和O元素,經(jīng)分析C元素和O元素來(lái)源于使用或檢修過(guò)程中滲透進(jìn)裂紋內(nèi)的垢物。 

2.   綜合分析

綜合上述分析可知：連接法蘭的顯微組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但其硬度和抗拉強(qiáng)度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,說(shuō)明標(biāo)尺導(dǎo)架材料的強(qiáng)度不足。結(jié)合壓痕試驗(yàn)結(jié)果可知,在外力作用下,石墨片會(huì)產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展,但小尺寸石墨片受影響程度較小。當(dāng)石墨片尺寸較大時(shí),會(huì)優(yōu)先在石墨內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,對(duì)基體產(chǎn)生切割作用。標(biāo)尺導(dǎo)架基體與法蘭之間的倒角較小,在該部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中。標(biāo)尺導(dǎo)架的受力不均勻,石墨內(nèi)萌生的裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致標(biāo)尺導(dǎo)架發(fā)生開(kāi)裂。 

3.   結(jié)論與建議

標(biāo)尺導(dǎo)架開(kāi)裂的原因是：標(biāo)尺導(dǎo)架材料強(qiáng)度不足,基體與法蘭之間倒角較小,運(yùn)行中產(chǎn)生應(yīng)力集中,該處大尺寸石墨片內(nèi)萌生裂紋并不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致標(biāo)尺導(dǎo)架發(fā)生開(kāi)裂。 

建議使用單位加大設(shè)備進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)力度,增加設(shè)備材料檢驗(yàn)工序,保證設(shè)備進(jìn)場(chǎng)合格率。制造單位應(yīng)不斷優(yōu)化鑄造工藝,關(guān)注設(shè)備原材料的質(zhì)量。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),加大標(biāo)尺導(dǎo)架基體與連接法蘭的過(guò)渡圓角半徑,減小局部應(yīng)力集中程度。 

文章來(lái)源——金屬世界