趙 亮，曾廷付，余永增，謝新會(huì)，劉榮剛

（1.蘭州石化公司設(shè)備維修公司，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州石化公司煉油廠，甘肅 蘭州 730060）

某煉油廠重整加氫裝置4M50—186/2.4—8.2—82/7.2—20—BX型壓縮機(jī)是雙列雙作用臥式活塞壓縮機(jī)。該機(jī)自1999年安裝投運(yùn)以來(lái)，狀況一直良好。但在2005年年底，機(jī)組因振動(dòng)超標(biāo)而報(bào)警，停車(chē)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)曲軸一段北缸的曲柄銷磨損嚴(yán)重，連桿大頭瓦與曲柄銷之間的配合間隙嚴(yán)重超標(biāo)。對(duì)曲軸曲柄銷處采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)后，回裝開(kāi)機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好。直至2007年3月，機(jī)組再次因振動(dòng)超標(biāo)報(bào)警，拆檢發(fā)現(xiàn)所修復(fù)的曲柄銷出現(xiàn)裂紋，進(jìn)行同樣修復(fù)處理后，機(jī)組于2010年5月發(fā)生類似故障，嚴(yán)重影響裝置平穩(wěn)生產(chǎn)；因此需對(duì)曲柄銷裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入剖析，并提出改進(jìn)措施。

一、故障情況

故障發(fā)生前機(jī)組機(jī)體振動(dòng)劇烈，原因可能有：(1)地腳螺栓松動(dòng)，機(jī)組對(duì)中偏差過(guò)大；(2)主軸軸瓦燒瓦、磨損嚴(yán)重、脫殼；(3)連桿小頭軸瓦燒瓦、脫殼；(4)十字頭配合間隙過(guò)小，滑道巴氏合金燒損；(5)十字頭配合間隙過(guò)大，連桿瓦大頭瓦間隙過(guò)大等。

對(duì)以上振動(dòng)的因素進(jìn)行排查，均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。據(jù)此，判斷曲柄銷裂紋和大頭瓦損壞是造成機(jī)組振動(dòng)的根本原因，應(yīng)對(duì)曲柄銷裂紋故障進(jìn)行分析。

二、故障分析

曲柄銷裂紋故障頻發(fā)，需對(duì)曲柄銷運(yùn)行過(guò)程中的受力情況進(jìn)行核算，判斷其有無(wú)應(yīng)力集中區(qū)。此外，對(duì)磨損后的曲柄銷表面進(jìn)行過(guò)修復(fù)處理，修復(fù)后的曲柄銷表面有無(wú)缺陷是裂紋產(chǎn)生與否的直接原因。

1.曲柄銷受力分析

曲柄銷連桿機(jī)構(gòu)的受力分析如圖1所示。往復(fù)式壓縮機(jī)工作時(shí)，活塞組件在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮氣體，活塞組件受氣體力、摩擦力和往復(fù)慣性力作用。十字頭上作用著綜合活塞力PS，PS也為連桿力PL在活塞運(yùn)動(dòng)方向上的一個(gè)分力（PS=PL·cosβ），連桿力PL通過(guò)連桿作用在曲柄銷上。在曲柄銷上連桿力PL又分解為曲柄銷垂直的切向力T＇和沿曲柄半徑方向的徑向力R。連桿大頭瓦和曲柄銷相互作用力的徑向分力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)摩擦力fr，視為作用在曲柄銷處的切向力，即曲柄銷上還作用著fr形成的切向力T"。曲柄銷處的總切向力為兩切向力的總和。

隨著曲柄和連桿之間夾角的變化，曲柄銷受力大小和方向在不斷變化，為交變載荷。此外，壓縮機(jī)頻繁啟、停機(jī)，曲柄銷也受到啟動(dòng)沖擊。

在壓縮機(jī)運(yùn)行工況下進(jìn)行復(fù)合性熱力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算得知，壓縮機(jī)的兩級(jí)壓力比匹配合理，活塞力相差不大，未發(fā)現(xiàn)一級(jí)活塞力超常，動(dòng)力平衡性能良好。

2.曲柄銷在修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷

曲柄銷于2005年年底因磨損嚴(yán)重，利用激光熔覆技術(shù)對(duì)其進(jìn)行過(guò)修復(fù)。經(jīng)表面著色探傷，沒(méi)有問(wèn)題，但熔覆層深處可能存在質(zhì)量問(wèn)題。原因在于：

(1)K202/A曲軸所用的材料是35CrMo，而目前激光熔覆所用的合金粉末多采用鎳基、鐵基及鈷基自熔合金粉末。熱膨脹系數(shù)的差異及各方面性能不匹配都能導(dǎo)致修復(fù)缺陷。

(2)激光熔覆時(shí)能量參數(shù)設(shè)定有偏差，能量密度不足以熔透預(yù)涂層，熔化部分與未熔化部分產(chǎn)生開(kāi)裂，修復(fù)層可能存在細(xì)小的裂紋。

(3)熔覆時(shí)能量密度恰好可把預(yù)涂層熔化，由于基層界面未熔化，得不到冶金結(jié)合，并且涂層界面附近的氣孔等缺陷沒(méi)有得到充分熔合，導(dǎo)致熔覆層強(qiáng)度降低。

基于此，2010年5月故障再次發(fā)生后，對(duì)曲柄銷繼續(xù)進(jìn)行修復(fù)，將修復(fù)后的熔覆層先后進(jìn)行磁粉探傷和X射線無(wú)損探傷，發(fā)現(xiàn)少量微裂紋存在。對(duì)熔覆層進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，也出現(xiàn)硬度不均勻現(xiàn)象。

3.故障分析

微裂紋的產(chǎn)生與激光熔覆處理后材料內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力有關(guān)。如果基材與熔覆材料二者的膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等差別較大，在高能激光束的作用下，很容易導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生。此外，熔覆層的熔化和凝固過(guò)程，交界面處基材的固態(tài)相變等發(fā)生體積變化后均會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。這兩部分綜合應(yīng)力結(jié)果表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，容易在氣孔、夾雜物尖端形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。

由于修復(fù)層的厚度有限，當(dāng)曲柄銷熔覆層的強(qiáng)度降低時(shí)，導(dǎo)致熔覆層的承載能力受到嚴(yán)重削弱，曲柄銷在修復(fù)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷使其局部應(yīng)力過(guò)高，在交變載荷和沖擊載荷的共同作用下，這些應(yīng)力高的部位就會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋。伴隨裂紋的產(chǎn)生，會(huì)引起更高的應(yīng)力集中。隨著載荷的波動(dòng)，這些裂紋在微觀上一開(kāi)一合，沿一定截面擴(kuò)展，產(chǎn)生疲勞破壞。裂紋擴(kuò)展到曲柄銷表面中間位置時(shí)，使曲柄銷和連桿大頭瓦間不能形成連續(xù)的油膜；從而失去了油膜的減振和潤(rùn)滑降溫效果，產(chǎn)生巨大的沖擊載荷。同時(shí)，曲柄銷和連桿大頭瓦之間的干摩擦產(chǎn)生大量的熱量，引起大頭瓦表面溫度過(guò)高，使連桿大頭瓦表面的巴氏合金燒損，導(dǎo)致振動(dòng)值升高至報(bào)警值。

曲柄銷裂紋一旦產(chǎn)生，較強(qiáng)烈的軸系扭振將使連桿大頭瓦繞曲柄銷產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)。一方面，導(dǎo)致連桿大頭瓦與曲柄銷之間油膜壓力的變化幅度增大，在軸瓦表面產(chǎn)生較大的附加沖擊力，使軸瓦表面在較短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生裂紋，并以較快的速度沿著最大切應(yīng)力方向由表面向內(nèi)部擴(kuò)展；另一方面，連桿大頭瓦與曲柄銷之間的油膜容易破裂，使軸瓦表面產(chǎn)生咬粘，且由此造成的裂痕會(huì)成為新的裂紋源，并在軸瓦運(yùn)行的過(guò)程中不斷擴(kuò)展。這些裂紋不斷向下擴(kuò)展到達(dá)軸承合金與鋼的結(jié)合面后，繼續(xù)沿著結(jié)合線擴(kuò)展。當(dāng)它們彼此相遇產(chǎn)生裂紋的再結(jié)合時(shí)，就會(huì)形成軸承合金的小塊剝落。許多小塊剝落的組合導(dǎo)致了軸瓦表面的大塊剝落。未被潤(rùn)滑油帶走的剝落物將成為異物而起磨粒磨損作用，并使軸承間隙不斷變化，造成潤(rùn)滑油泄漏，從而破壞穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，進(jìn)一步促使軸承產(chǎn)生咬粘，造成連桿大頭瓦快速疲勞失效，導(dǎo)致振動(dòng)迅速增加，最后達(dá)到機(jī)組的報(bào)警值。

可見(jiàn)，曲柄銷熔覆層承載能力降低、裂紋產(chǎn)生而導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜破壞是曲柄銷龜裂、大頭瓦合金層脫落、振動(dòng)加劇的根本原因。

三、改進(jìn)措施

如前所述，對(duì)修復(fù)后熔覆層先后進(jìn)行磁粉探傷和X射線無(wú)損探傷，發(fā)現(xiàn)少量微裂紋存在。需對(duì)熔覆工藝、參數(shù)、熔覆層進(jìn)行調(diào)整。

(1)因鎳基合金粉末含大量B、Si、C等元素，隨著高硬度硼化物、碳化物含量的增加，熔覆層的塑性下降，脆性增大，裂紋傾向也增大。據(jù)此，采用預(yù)熱和焊后熱處理，可使熔覆層內(nèi)的應(yīng)力松弛，防止基材的熱影響區(qū)發(fā)生馬氏體鑲邊，從而有效減少或消除裂紋。

(2)熔覆層稀釋率隨激光功率的增大而增大，功率密度較低時(shí)，基體熔深小，熔層與基體間的元素?cái)U(kuò)散大大降低，稀釋率減小，可得到細(xì)密的熔覆層組織。功率和掃描速度一定時(shí)，同種合金粉末熔覆的裂紋率隨熔覆層厚度的增加而增加，需選擇較薄的熔覆層。而送粉量和激光功率一定時(shí)，隨掃描速度的增加，熔覆層裂紋也增加；因此，盡可能采用較慢的掃描速度。改進(jìn)前后熔覆工藝參數(shù)見(jiàn)表1。為進(jìn)一步改善熔覆層的表面質(zhì)量，在正式熔覆前進(jìn)行小功率預(yù)熱掃描，經(jīng)試驗(yàn)得知較佳的預(yù)熱掃描參數(shù)為：功率800W，掃描速度300mm/min。經(jīng)預(yù)熱的涂層在熔覆后的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于未經(jīng)預(yù)熱的涂層，并可減少熔覆后的磨削加工量。

表1 改進(jìn)前后激光熔覆的工藝參數(shù)

(3)在不影響熔覆合金性能的條件下加入稀土氧化物，得到組織細(xì)密的熔覆層，從而減少在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中曲柄銷裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的傾向。

對(duì)執(zhí)行此改進(jìn)工藝所修復(fù)的曲柄銷進(jìn)行金相組織檢測(cè)，對(duì)熔覆層進(jìn)行顯微硬度分析，發(fā)現(xiàn)熔覆層與基體界面都達(dá)到了冶金結(jié)合的效果，未發(fā)現(xiàn)熔覆層有微裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。曲軸回裝后使用到目前，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。

四、結(jié)束語(yǔ)

加工制造或修復(fù)受交變載荷的零件時(shí)，其內(nèi)部缺陷會(huì)引起應(yīng)力集中，成為疲勞破壞的隱患。需通過(guò)大量試驗(yàn)改進(jìn)激光頭熔覆技術(shù)修復(fù)工藝和參數(shù)?；瑒?dòng)軸承的配合間隙和溫度都會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油膜剛度有影響，潤(rùn)滑油膜失效則失去冷卻和緩沖減振作用，導(dǎo)致曲柄銷裂紋擴(kuò)展并磨損失效。

[1]彭學(xué)院,暢云峰,郭蓓.容積式壓縮機(jī)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2005.

[2]化工廠機(jī)械手冊(cè)編輯委員會(huì).化工廠機(jī)械手冊(cè)通用零部件和化工機(jī)器的維護(hù)檢修[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1989.

[3]趙文軫.材料表面工程導(dǎo)論[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.

[4]王建軍,程衛(wèi)華,趙艷梅.激光熔覆工藝在煙氣輪機(jī)軸修復(fù)中的應(yīng)用[C].全國(guó)傳熱傳質(zhì)與節(jié)能技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集,2008.