尤圣斌 余敏 王李勇

摘要：曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)、往復(fù)壓縮機(jī)中的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件。往復(fù)壓縮機(jī)是石油石化行業(yè)最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一。曲軸是往復(fù)壓縮機(jī)中動(dòng)力傳遞的重要零件，長期工作在扭轉(zhuǎn)、拉壓等交變應(yīng)力的作用下。裂紋是曲軸發(fā)生故障的最危險(xiǎn)、最頻繁的故障之一。由于曲軸工作在密閉的箱體之中，出現(xiàn)裂紋的曲軸早期狀態(tài)變化不明顯，曲軸裂紋很難被發(fā)現(xiàn)。這給往復(fù)壓縮機(jī)安全運(yùn)行埋下了安全隱患。本文就往復(fù)壓縮機(jī)曲軸斷裂失效展開探討。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī);曲軸;疲勞斷裂;過載

引言

某石化公司一臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)突然振動(dòng)連鎖停機(jī)，停機(jī)后盤車不動(dòng)，拆檢發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)曲軸拐斷裂、連桿大頭瓦損毀。該往復(fù)壓縮機(jī)為2列立式壓縮機(jī)，電機(jī)功率為185kW，轉(zhuǎn)速為750r/min，曲軸材料為40Cr鍛件，整體調(diào)質(zhì)處理，表面高頻淬火處理。該曲軸總服役時(shí)間不足35個(gè)月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命。

1開裂原因分析

曲軸在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)多次曲柄銷開裂，并且兩側(cè)大頭瓦出現(xiàn)短時(shí)間的疲勞失效問題，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)一些異常聲音，我們可以對(duì)壓縮機(jī)在整個(gè)制造，設(shè)計(jì)，維護(hù)等過程進(jìn)行分析。首先采用300mm直徑的曲軸時(shí)其連桿大頭瓦會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)疲勞損傷，并且在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生異常聲音和較大的振動(dòng)，經(jīng)過5500h的運(yùn)行時(shí)間之后存在曲柄銷開裂問題，而在使用直徑為280mm的曲軸時(shí)，在運(yùn)行13000h時(shí)沒有出現(xiàn)任何開裂問題，而且整個(gè)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中正常，未發(fā)生異常聲音，大頭軸承壽命相對(duì)之前有所延長，在振動(dòng)中產(chǎn)生的噪音較小。兩根曲柄銷開裂曲軸直徑為300mm，這種毛坯是由不同廠商生產(chǎn)的，經(jīng)過化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測為合格。比較300mm和280mm之間的曲軸其在加工過程中誤差在允許的范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)機(jī)組時(shí)并沒有對(duì)軸系完成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算，且確定裂紋與曲柄銷中心線呈現(xiàn)45度。在處于交應(yīng)變作用下很容易產(chǎn)生疲勞損傷，機(jī)身主軸軸承與水平度誤差在允許范圍內(nèi)。通過對(duì)上述問題進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)直徑為300mm的曲軸在一級(jí)曲柄銷處出現(xiàn)開裂主要是由于軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而針對(duì)直徑為300mm的曲軸出現(xiàn)連桿大頭瓦在短時(shí)間內(nèi)疲勞損傷，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)很容易產(chǎn)生異常聲音，也是與軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)存在聯(lián)系的。在具體分析原因中，我們發(fā)現(xiàn)有由于三根曲軸在一級(jí)曲柄銷是由不同供應(yīng)商鍛造的，并且曲柄銷產(chǎn)生的裂紋具有顯著的疲勞損傷癥狀，因此我們可以排除曲柄銷在設(shè)計(jì)，使用，制造等方面的問題。往復(fù)壓縮機(jī)的曲軸是與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子連接在一起的，能夠形成多質(zhì)量軸系，而且具有一定彈性關(guān)系的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特點(diǎn)，在其運(yùn)行過程中軸系會(huì)受到往復(fù)慣性力以及氣體力的周期性變化，產(chǎn)生的激振力及作用，并且按照其作用頻率出現(xiàn)強(qiáng)制振動(dòng)。當(dāng)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率與激振頻率接近時(shí)或者呈現(xiàn)呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系，并且軸系很容易產(chǎn)生強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)加速零部件的損傷，并且使其在使用中產(chǎn)生較大噪音，甚至還會(huì)出現(xiàn)開裂問題，降低其運(yùn)行可靠性。根據(jù)有關(guān)要求供方需要對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)的部分裝置進(jìn)行扭轉(zhuǎn)分析，而且研究學(xué)者在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩列和四列壓縮機(jī)其在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，而對(duì)于六列之上的壓縮機(jī)由于其列數(shù)增加，并且相應(yīng)的直徑也會(huì)增加，導(dǎo)致其固有頻率降低，很容易處于名義轉(zhuǎn)速范圍中，破壞軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力?；诹兄系那S其安全系數(shù)相對(duì)系列來說要高，并且六列以上的曲軸在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)分析振動(dòng)應(yīng)力問題。當(dāng)曲軸本身或相連的電動(dòng)機(jī)或者連桿大頭瓦出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，需要考慮采取有效措施以降低軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使用不同直徑的曲軸，軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率是相同的，在軸系相同材料和尺寸下，固有頻率是與直徑的平方成正比的，當(dāng)曲軸直徑為300mm時(shí)，相比直徑為200mm的曲軸其固有頻率有所降低，能夠有效避免出現(xiàn)共振區(qū)，進(jìn)而降低曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)于已經(jīng)失效的大頭瓦工作面會(huì)產(chǎn)生不同凹坑，其邊緣不規(guī)則，具有顯著的快速疲勞損傷的問題，對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)較強(qiáng)或者導(dǎo)致油膜壓力顯著變化。在軸瓦外產(chǎn)生較大沖擊力，使軸瓦在短時(shí)間中出現(xiàn)裂紋并以較快的速度向內(nèi)部進(jìn)行裂紋的擴(kuò)展，此外還會(huì)導(dǎo)致連桿大頭瓦和軸承油膜破壞時(shí)表面出現(xiàn)咬粘，導(dǎo)致產(chǎn)生新的裂紋，在軸瓦運(yùn)行需要還會(huì)不斷拓展裂紋，使裂紋上下逐漸拓展甚至達(dá)傷痕，會(huì)形成新的裂紋源，在軸瓦運(yùn)行過程中還會(huì)使裂紋不斷拓展。這些裂紋向下拓展達(dá)到鋼和合金結(jié)合面之后還會(huì)沿結(jié)合線繼續(xù)拓展。對(duì)強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)使其電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子的顯著變化，而使定、轉(zhuǎn)子間的空氣流速變化引起磁場脈沖和氣流噪聲增加，最終導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常噪聲。

2曲軸性能分析

（1）曲軸材質(zhì)分析。采用臺(tái)式光譜儀對(duì)該曲軸（40Cr）近斷裂處取樣進(jìn)行材質(zhì)成分測定，測定結(jié)果表明曲軸材質(zhì)完全符合JB/T6908標(biāo)準(zhǔn)要求，并且材質(zhì)成分中不含金屬Sn。（2）曲軸機(jī)械性能分析。對(duì)該曲軸近芯部取樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，曲軸的機(jī)械性能符合JB/T6908標(biāo)準(zhǔn)要求。（3）金相組織分析。采用金相顯微鏡IM300（MS04）對(duì)曲軸未斷裂部分的取樣進(jìn)行了組織測定，結(jié)果顯示：（a）曲軸材料致密性良好，未見微觀孔洞、裂紋等缺陷;（b）曲軸表面組織為隱針馬氏體，符合該軸精加工后表面經(jīng)過高頻淬火的熱處理狀態(tài);（c）曲軸芯部基體組織為索氏體，其上分布有珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+少量魏氏組織，呈帶狀分布，該曲軸在粗加工后經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，珠光體的存在說明調(diào)質(zhì)處理時(shí)芯部溫度不足，晶體組織未充分轉(zhuǎn)變。

3幾何模型

為了減少不必要的工作量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在建立幾何模型時(shí)，將一些對(duì)分析結(jié)果影響較小的因素做了適當(dāng)?shù)暮喕海?）為保證網(wǎng)格質(zhì)量，避免局部網(wǎng)格過密，忽略了軸頸處的圓角和凸臺(tái);（2）所有載荷均平行曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)平面作用在曲軸上，并認(rèn)為沿軸頸厚度方向均勻分布;（3）靜力分析中，不考慮曲軸振動(dòng)應(yīng)力，加工制造和裝配誤差引起的軸系附加應(yīng)力;（4）對(duì)于軸系中不是均質(zhì)量分布的部件，如飛輪及電機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)化為均質(zhì)量圓盤，但須保證轉(zhuǎn)化前后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量相等.

結(jié)語

（1）該曲軸斷口宏觀形貌有裂紋擴(kuò)展的貝紋線，微觀形貌呈現(xiàn)疲勞輝紋，屬于典型的疲勞斷裂失效，應(yīng)是機(jī)器首次故障及燒瓦導(dǎo)致的初始微損擴(kuò)展所致。（2）該曲軸熱處理不足，其芯部金相組織沒有充分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，殘余帶狀分布的珠光體等組織，雖然不是本次曲軸斷裂的主要原因，但也是影響曲軸長期服役的致?lián)p因素，因此該類零件的熱處理工藝或操作應(yīng)進(jìn)行改良，使其獲得合適的內(nèi)外部組織，為長周期運(yùn)行提供保障。（3）該機(jī)經(jīng)歷初期過載事故后應(yīng)拆解相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行必要的量化檢測，防止安裝狀態(tài)感性檢查的疏漏造成更多的故障。該機(jī)此次曲軸斷裂故障后返廠拆檢修理，復(fù)檢相關(guān)零部件、更換新曲軸和軸瓦，重新安裝投運(yùn)后已經(jīng)連續(xù)無故障運(yùn)行19個(gè)月。

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