管春健，丁明生

(中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司，江蘇南京 210048)

煉油焦化富氣壓縮機(jī)十字銷(xiāo)軸斷裂失效檢測(cè)

管春健，丁明生

(中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司，江蘇南京 210048)

文章對(duì)煉油焦化富氣壓縮機(jī)十字銷(xiāo)軸斷裂失效的原因進(jìn)行了分析。從宏觀形貌分析，存在疲勞裂紋所特有的貝殼狀花紋，有銅屑嵌入裂紋內(nèi)部并在反復(fù)擠壓過(guò)程中形成銅屑層，可明確判斷該斷口屬于疲勞斷口;從微觀斷口形貌分析，斷口表面深層部位存在疲勞輝紋，疲勞輝紋間距約在2 μm左右，根據(jù)疲勞輝紋的間距也可以看出，該螺栓斷口屬于高周疲勞，十字銷(xiāo)軸斷口表面附近材料成分分析的Cu元素含量偏高，斷口表面含有銅屑嵌入物，而斷口表面存在銅屑嵌入物會(huì)引起電偶腐蝕，產(chǎn)生腐蝕疲勞，進(jìn)一步促進(jìn)疲勞過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展。確認(rèn)十字銷(xiāo)軸斷裂主要是由于高周疲勞開(kāi)裂引起的，并提出相關(guān)建議。

安全閥 彈簧 斷裂 失效

中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司煉油廠1.6 Mt/a延遲焦化裝置C201B富氣壓縮機(jī)為BDC-2往復(fù)式壓縮機(jī)，介質(zhì)為富氣，軸功率353 kW，轉(zhuǎn)速 1480 r/min，吸氣與排氣壓力分別為0.047和0.0869 MPa、溫度為40和98℃。該壓縮機(jī)1995年8月投入使用，期間的檢修中十字銷(xiāo)軸是否更換無(wú)記錄記載。2007年2月26日壓縮機(jī)出現(xiàn)聲音異常，停車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)十字銷(xiāo)軸斷裂，并將連接氣缸與曲軸箱體的中體部分打裂。隨即從宏觀和微觀斷口形貌分析、材料金相組織及成分檢測(cè)、力學(xué)性能測(cè)試等方面，對(duì)壓縮機(jī)十字銷(xiāo)軸斷裂失效原因進(jìn)行了分析。

1 斷口宏觀形貌分析

已經(jīng)發(fā)生斷裂的焦化C201B富氣壓縮機(jī)十字銷(xiāo)軸(以下簡(jiǎn)稱(chēng)十字銷(xiāo)軸)見(jiàn)圖1。

從圖1可看出，斷裂起源于十字銷(xiāo)軸外表面，并沿著垂直于軸線(xiàn)的截面發(fā)展。斷口表面比較平滑光整，可見(jiàn)疲勞裂紋所特有的貝殼狀花紋，而且斷口表面幾乎沒(méi)有任何塑性變形痕跡，考慮到氫氣壓縮機(jī)在工作過(guò)程中因往復(fù)運(yùn)動(dòng)所造成的交變應(yīng)力，可以初步判斷該十字銷(xiāo)軸斷口屬于低應(yīng)力高周疲勞斷口［1］79。另外，斷口表面尤其是裂紋源區(qū)域表面有腐蝕痕跡(斷口表面發(fā)黑)，并有黃色銅屑層存在。黃色銅屑層來(lái)源于黃銅軸瓦材料，在裂紋形成后由于裂紋刀口對(duì)軸瓦的切削作用，使得大量銅屑嵌入裂紋內(nèi)部并在反復(fù)擠壓過(guò)程中形成銅屑層，由此亦可明確判斷該斷口屬于疲勞斷口。

2 材料金相顯微組織分析

十字銷(xiāo)軸金相顯微組織照片見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，銷(xiāo)軸表面經(jīng)過(guò)滲碳處理，滲碳層深度約1.5 mm?；w組織為回火索氏體，可清晰觀察到板條狀馬氏體的取向，表明該十字銷(xiāo)軸內(nèi)、外表面在經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行了滲碳表面處理及淬火和回火處理，未見(jiàn)缺陷組織存在。

顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，壓痕照片見(jiàn)圖3。顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果表明，十字銷(xiāo)軸內(nèi)、外表面硬度為200～500 HV0.2，中心部平均硬度約150 HV0.2，十字銷(xiāo)軸表面(滲碳層)硬度明顯高于心部(基體)硬度，并且硬度過(guò)渡平緩，符合滲碳工藝及性能要求。

圖2 十字銷(xiāo)軸金相顯微組織

表1 十字銷(xiāo)軸顯微維氏硬度數(shù)據(jù)(HV0.2)

圖3 十字銷(xiāo)軸顯微維氏硬度壓痕形貌

3 微觀斷口形貌分析和成分分析

斷口的掃描電鏡(SEM)微觀斷口形貌見(jiàn)圖4。由于斷口屬于低應(yīng)力高周疲勞斷口類(lèi)型，因此在疲勞斷口形成過(guò)程中兩個(gè)相對(duì)斷口的相互摩擦比較嚴(yán)重，一般淺表面的疲勞輝紋已經(jīng)被嚴(yán)重破壞，但是在斷口表面比較深層部位的疲勞輝紋依然可以保留下來(lái)。在圖4中可以看出，表層的疲勞輝紋已經(jīng)被破壞，但是斷口表面深層部位的疲勞輝紋依然存在，疲勞輝紋間距約在2μm左右，從疲勞輝紋的間距也可以看出，該斷口屬于高周疲勞［1］103。

十字銷(xiāo)軸材料成分分析結(jié)果見(jiàn)表2，成分中有質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1.0%左右的Cr和Mn元素以及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.5%左右的Si元素。主要雜質(zhì)S和P元素的含量基本符合優(yōu)質(zhì)鋼的要求(S元素含量略偏高)，結(jié)合金相組織分析結(jié)果和熱處理工藝(滲碳處理)，可以初步判斷十字銷(xiāo)軸用鋼為20Cr。值得注意的是，十字銷(xiāo)軸材料成分中Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高(高達(dá)0.117%)，由于成分分析取樣部位在斷口表面附近，因此可以判斷斷口表面含有銅屑嵌入物，而斷口表面存在銅屑嵌入物會(huì)引起電偶腐蝕，產(chǎn)生腐蝕疲勞［2］，進(jìn)一步促進(jìn)疲勞過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展。

圖4 十字銷(xiāo)軸微觀斷口形貌SEM

表2 十字銷(xiāo)軸材料X射線(xiàn)熒光光譜成分

4 結(jié)論

(1)十字銷(xiāo)軸斷裂主要是由于高周疲勞開(kāi)裂引起的;

(2)十字銷(xiāo)軸材料為20Cr鋼，并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)加滲碳加淬、回火處理，其心部金相顯微組織為回火索氏體。

(3)由于斷口表面明顯可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物和黃色銅屑層存在，不能排除發(fā)生腐蝕疲勞的可能性，其原因可能是銅屑和鋼之間發(fā)生的電偶腐蝕加速了鋼的疲勞斷裂過(guò)程。

(4)建議進(jìn)一步提高十字銷(xiāo)軸表面切削加工質(zhì)量，并盡量避免與異種金屬(如銅和黃銅等)的直接接觸。

［1］崔約賢，王長(zhǎng)利.金屬斷口分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998:79，103.

［2］張棟，鐘培道.失效分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004:147.

Testing of Cracking Failure of Crosshead in Rich Gas Compressor

Guan Chunjian，Ding Mingsheng
SINOPEC Yangtze Petrochemical Company(Nanjing，Jiangsu 210048)

The causes of cracking failure of crosshead of refinery coker＇s rich gas compressor were analyzed.As macro imaging found that there were shell figures unique to fatigue cracking and copper scraps embedded in the cracks forming copper scrap layer by repeated pressing，it was concluded that the fracture is the fatigue fracture.As the micro imaging found that there were fatigue striations in the fracture with a spacing of a bout of 2μm，it was concluded that the bolt fracture suffered from high－cycle fatigue.In additional，the higher Cu in the surface of crosshead and copper scraps embedded in the fracture would cause galvanic corrosion and corrosion fatigue，further accelerating the development of fatigue.The high－cycle fatigue cracking is the culprit of cracking of crosshead and corresponding prevention measures are recommended.

safety valve，spring，fracture，failure

TE986

B

1007－015X(2011)03－0058－04

2010－12－ 12;

2011－03－12。

管春健(1978-)，男，工程師，現(xiàn)在中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司煉油廠從事設(shè)備管理工作。E-mail:gcjnj@qq.com