往復式壓縮機具有適用壓力范圍廣、穩壓能力強、能耗小、對材料要求低等優點,被廣泛應用于天然氣集輸場站。往復式壓縮機的結構復雜,在使用過程中,其部件經常發生損壞,給企業安全生產造成很大的威脅。往復式壓縮機中的余隙缸標尺導架是易損部件之一,及時分析其損傷的原因并加以改進,對優化制造工藝、提升制造質量具有指導性意義[1－3]。 

某公司在對一臺用于集輸增壓的分體式往復式壓縮機進行8 000 h的停機維護保養時,發現其左側機組150 mm余隙缸標尺導架連接法蘭存在裂紋,該壓縮機進氣量為1.5×106 m3,出氣量為1.5×106 m3,進氣壓力為0.5 MPa,出氣壓力為1.2 MPa,標尺導架的材料為MTCrMoCu－250鋼,標尺導架本體高度為260 mm,連接法蘭厚度為28 mm,法蘭過渡段存在高度約為3 mm的凸臺且無倒角,法蘭面均勻分布有10個直徑為18 mm的螺栓孔。筆者采用一系列理化檢驗方法[4－5],分析了連接法蘭開裂的原因,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂標尺導架整體及裂紋宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：標尺導架手輪及法蘭的防護漆完好,活塞桿及活塞表面光亮且附有少量油漬,無明顯氧化、腐蝕、機械損傷等痕跡；連接法蘭上存在3條裂紋,裂紋1沿法蘭凸臺根部環向擴展,裂紋無分叉,長度約為法蘭內側周長的7/10；裂紋2和裂紋3由環向裂紋擴展至螺栓孔,無分叉,由法蘭上部向下部擴展,沿法蘭壁厚方向觀察,裂紋3已貫穿法蘭壁厚；根據裂紋布局、形態及擴展方向可判斷,裂紋1為主裂紋,其開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  開裂標尺導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,對斷口進行宏觀觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：斷口表面粗糙,存在金屬顆粒,有起伏,斷裂面周邊無明顯塑性變形,呈脆性開裂特征。 

圖  2  斷口的宏觀形貌

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1.2   金相檢驗

在連接法蘭上取樣并對試樣進行金相檢驗,結果如圖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 《容積式壓縮機用灰鑄鐵件技術條件》的要求。 

圖  3  連接法蘭的顯微組織形貌

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采用光學顯微鏡對裂紋1尖端部位進行觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：法蘭部位裂紋沿石墨片擴展,裂紋無分叉,從尖端觀察,裂紋不連續；石墨以片狀為主,少量石墨呈塊狀,并存在粗大石墨。經測量,片狀石墨寬度約為2.5 μm,粗大石墨寬度約為14 μm,依據GB/T 7216—2009 《灰鑄鐵金相檢驗》,判斷石墨長度級別為3級。 

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

采用掃描電鏡對裂紋1尖端部位進行觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：裂紋沿石墨片呈不連續擴展形貌,試樣內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的石墨片,試樣邊緣及內部存在沿石墨片方向分布的裂紋,經測量,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

在人工打開斷口處取樣,采用掃描電鏡對試樣進行分析,結果如圖6所示。由圖6可知：試樣斷面呈解理開裂特征,局部存在韌窩及顆粒狀夾雜物。 

圖  6  斷口的SEM形貌

1.4   壓痕試驗

在裂紋1尖端部位的無裂紋處取樣,采用布氏硬度試驗方法對試樣加載試驗力,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滲透檢測后并未發現裂紋,采用掃描電鏡對壓痕試驗前后的試樣進行觀察,結果如圖8所示。由圖8可知：試驗前A區存在貫穿表面的裂紋,裂紋位于長度約為160 μm的石墨片內,壓痕試驗前后裂紋未發生擴展；試驗前B區存在未貫穿表面的埋藏型裂紋,長度約為550 μm,裂紋沿石墨片擴展。對比壓痕試驗前后試樣的SEM形貌可知,尺寸較大的石墨片內易出現裂紋,埋藏裂紋發生明顯擴展。 

圖  8  壓痕試驗前后試樣的SEM形貌片

進一步分析壓痕周邊裂紋的擴展情況,對試樣的壓痕處進行SEM分析,結果如圖9所示。由圖9可知：試驗前石墨片內未發現裂紋,在一定的外力作用下,石墨片內產生沿長度方向擴展的裂紋,但尺寸較小的石墨(長度小于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   力學性能測試

在連接法蘭表面無缺陷部位取樣,對試樣進行硬度測試,結果如表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Cu－Cr－Mo合金鑄鐵及JB/GQ 0033—1998 《耐摩鑄鐵》對MTCrMoCu－250鋼的要求。 

1.6   垢物成分分析

對裂紋3裂紋面附著垢物進行化學成分分析,結果如表3所示。由表3可知：垢物中含有較多的C元素和O元素,經分析C元素和O元素來源于使用或檢修過程中滲透進裂紋內的垢物。 

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準要求,但其硬度和抗拉強度均不滿足標準要求,說明標尺導架材料的強度不足。結合壓痕試驗結果可知,在外力作用下,石墨片會產生裂紋并擴展,但小尺寸石墨片受影響程度較小。當石墨片尺寸較大時,會優先在石墨內部產生微裂紋,對基體產生切割作用。標尺導架基體與法蘭之間的倒角較小,在該部位易產生應力集中。標尺導架的受力不均勻,石墨內萌生的裂紋不斷擴展,最終導致標尺導架發生開裂。 

3.   結論與建議

標尺導架開裂的原因是：標尺導架材料強度不足,基體與法蘭之間倒角較小,運行中產生應力集中,該處大尺寸石墨片內萌生裂紋并不斷擴展,最終導致標尺導架發生開裂。 

建議使用單位加大設備進場檢驗力度,增加設備材料檢驗工序,保證設備進場合格率。制造單位應不斷優化鑄造工藝,關注設備原材料的質量。優化結構設計,加大標尺導架基體與連接法蘭的過渡圓角半徑,減小局部應力集中程度。 

文章來源——金屬世界