主风机活塞杆断裂失效分析

 魏东来，张荣杰

摘  要：针对一台往复式主风机的活塞杆断裂事故，对活塞杆的化学成分、金相组织及断口进行分析，找出了断裂原因，提出了制造过程中存在的问题以及防止类似问题的发生应采取的措施。

关键词：风机；活塞杆；断裂；失效分析

　  某公司催裂化装置配用的往复式主风机(型号L5.5280/2)作为离心式主风机的一个重要补充，除排气压力与往复式压缩机不同外，在结构及工作原理方面基本相同。该主风机为往复式双一级形式，于2003年9月投入使用。2005年12月，7#往复式主风机发生活塞杆断裂事故，造成该机组部分部件严重损坏，除活塞杆断裂外，其轴肩部分严重变形，缸头、活塞及活塞环完全报废，活塞杆局部发蓝，有过热迹象。此设备投入使用15个月，累计运行时间为6个月，在运行期间除更换过部分气阀外，运转状况良好。为此，有必要对此活塞杆断裂事故进行失效分析。

1　活塞杆结构简介

活塞杆设计结构见图1，材料为45钢，热处理状态为调质后局部高频淬火G50258，转速560r/min，投入运行后的运行条件和设计工况基本吻合。

图1　活塞杆的结构示意图

轴肩断裂位置和出现裂纹位置见图1。活塞杆的断裂位置为a75mm×16mm轴肩与a48mm连接的过渡圆角处(图2)，两条周向裂纹位于a75mm轴肩与a50mm连接的过渡圆角处，长度分别为40mm和10mm，最大深度6.5mm。断裂后的活塞杆产生撞击导致断口及轴肩处受挤压变形，见图3。由于过热引起轴肩右侧a50mm活塞杆局部(距轴肩30～110mm)发蓝。

2　失效分析

2.1　化学成分

在距断口约10mm、直径a48mm活塞杆部分取样做化学成分分析，结果见表1。

　　由表1可见，除C元素的质量分数略高于标准规定的范围外，其它元素均符合优质碳素结构钢中45钢的标准要求，根据GB222—84《钢的化学分析用试样取样法及成品化学成分允许偏差》规定，成品化学成分分析所得值中C的允许上偏差为0.02%，因此，实测C质量分数属于合格范围。

2.2　宏观检查

从图2断口宏观照片可发现，该断口平齐，但存在多个裂纹源和疲劳台阶，裂纹从外表面向中心扩展，属多源疲劳断裂。

从活塞杆的断裂情况来看，该过渡圆角并不是从a75mm直接圆滑过渡到a48mm，而是向内凹进去，测得内凹处直径为43.4mm(图3)，宽为5mm，虽然基本符合图样的设计要求，但是这样的结构极不合理，既减少了承载面积又很容易造成应力集中，产生微裂纹。

                 图2　宏观断口                                   图3　断裂处内凹圆角结构

2.3　电子探针分析

用SXA28800R电子探针显微分析系统对断口进行观测，发现裂纹源处刀具加工痕迹粗糙不平，有轧刀挤压的痕迹(图4)，有的部位产生了金属流变(图5)。由此，说明加工刀具刃钝引起了轧刀挤压裂纹。

           图4　刃钝引起的轧刀挤压(200×)                    图5　刃钝引起的金属流变(200×)

2.4　金相组织

从图1的周向裂纹处取纵向试样进行金相组织检测，结果为：①非金属夹杂物等级为1级(图6)。②晶粒度为5～7级(图7)。③基体组织为回火索氏体+铁素体(心部)，基体硬度253～267HV0.5(HV0.5为500g试验力时的维氏硬度)，裂纹周围无氧化脱碳现象(图8)。为此，可得出其金相组织基本正常。

                 图6　试样非金属夹杂物(100×)　                  图7　试样晶粒度(100×)

图8　裂纹处基体组织(100×)

3　原因分析

(1)活塞杆设计问题　

由图1可见，活塞杆从a75mm到a48mm的过渡并非直接进行圆滑过渡，而是向内凹进去，这种结构极不合理。如果是直接过渡，断裂处的受力状况会更好，更有益于延长设备寿命。这一点可从轴肩两侧一边只是产生裂纹而另一边却已断裂得到证明。

(2)加工质量问题　

通过电子探针分析，加工刀具刃钝引起了轧刀挤压裂纹，并成为裂纹源。在交变应力的作用下，裂纹逐渐向内扩展、延伸是造成这次活塞杆断裂事故的直接原因。

(3)检修问题　

在计划检修过程中，对设备各运转零部件的检查不够仔细，对检查项目、内容及结果记录不够完善。

(4)活塞杆发蓝　

对供油系统的检查并未发现任何问题，说明活塞杆应能得到良好的冷却和润滑。通过对活塞碎片的分析，笔者认为，在活塞杆断裂之后，余下的部分在往复运动过程中将活塞击碎，大的碎片在气缸内的不均匀分布阻碍了活塞杆的往复运动，使活塞杆与填料密封之间产生了快速而且剧烈的摩擦，造成过热发蓝，这一点从发蓝部位局部有明显的摩擦痕迹以及发蓝不均匀的现象中可以得到印证。

综上所述，活塞杆的断裂是由于结构设计存在缺陷以及加工时设备的精度不够造成的。

4　改进措施

(1)对相关部件进行全面检查　

对主风机的立缸活塞杆、十字头、曲轴都进行了仔细检查，在检查中未发现类似断裂活塞杆的状况，其余部件加工状况良好。对不符合要求的相关部件进行退货处理，对其它类似主风机进行轮番切换。

(2)提高机加工质量　

与制造商进一步协调，提高零部件机加工质量。

(3)加强质量验收观念　

采取源头预防措施，对新购入设备，在制造厂就要对设备零部件进行质量把关，力争在装配前完成部件质量的验收。针对零部件到货后的验收，真正做到入库合格。

5　结语

对往复式主风机相关部件的检查更换后使用至今效果良好，未再发生类似问题。通过这次事故认识到设备及其部件的设计质量固然重要，但其机加工质量，尤其是运转部件的机加工质量，更应引起有关人员的高度重视。