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        壓縮機(jī)活塞桿斷裂分析及技術(shù)改造

        2014-05-29 05:49:07吳冬果閆永兵宋文戈
        化工機(jī)械 2014年5期
        關(guān)鍵詞:索氏體機(jī)械性能調(diào)質(zhì)

        吳冬果 閆永兵 宋文戈

        (山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司)

        某化肥生產(chǎn)企業(yè)的合成氨系統(tǒng)完成氨醇優(yōu)化改造后,在試生產(chǎn)階段多次發(fā)生了壓縮機(jī)活塞桿斷裂事故,不僅威脅到工作人員的生命安全,也給企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失,影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。其中,1#壓縮機(jī)在發(fā)生第一次斷裂后的第14天發(fā)生了第二次斷裂,2#壓縮機(jī)在發(fā)生第一次斷裂后的第35天發(fā)生了第二次斷裂。筆者針對(duì)連續(xù)幾次斷裂具有的共同特征,從活塞桿材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織及機(jī)械加工等方面分析其斷裂原因,并提出改進(jìn)措施。

        1 活塞桿斷裂原因分析

        1.1 化學(xué)成分與機(jī)械性能分析

        壓縮機(jī)作為一種過程流體機(jī)械[1],大多應(yīng)用于石化、冶金及煤化工等工業(yè)領(lǐng)域中[2]。壓縮機(jī)根據(jù)氣體的可壓縮性,通過活塞在汽缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng),利用氣閥的單項(xiàng)開啟性,來完成壓縮氣體的膨脹、吸入、壓縮和排出4個(gè)階段,以達(dá)到提高氣體壓力的目的[3]。經(jīng)觀察壓縮機(jī)活塞桿斷裂部位(圖1)在活塞桿與十字頭連接軸臺(tái)階處,并從近軸臺(tái)階處螺紋底徑起始。

        圖1 活塞桿斷裂部位示意圖

        1#壓縮機(jī)一段活塞桿材料為38CrMoAl,2#壓縮機(jī)二段活塞桿材料為42CrMo,其標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)化學(xué)成分見表1,機(jī)械性能見表2。

        從表1、2可看出:活塞桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求;38CrMoAl的實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均小于標(biāo)準(zhǔn)值,說明其強(qiáng)度不足;沖擊功揭示材料的變脆傾向,兩種材料的沖擊功KV2遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值,說明其脆性高,沖擊韌性低。壓縮機(jī)的活塞桿在工作過程中主要承受較大的交變拉、壓應(yīng)力和較小的彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用,按照設(shè)計(jì)要求,采用適合38CrMoAl和42CrMo的熱處理工藝對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,使其沖擊功達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,提高材料韌性,保證活塞桿在正常工況條件下不會(huì)斷裂。

        表1 活塞桿材料化學(xué)成分對(duì)比 %

        表2 活塞桿材料機(jī)械性能對(duì)比

        注:實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣的值。

        1.2 金相組織分析

        對(duì)斷裂的活塞桿取樣并進(jìn)行金相檢測(cè)。試樣材料38CrMoAl的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)+表面滲氮,金相組織分析結(jié)果為回火貝氏體+回火索氏體;試樣材料42CrMo的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)+高頻淬火,金相組織分析結(jié)果為回火索氏體呈帶狀分布。

        回火索氏體中的碳化物分散度較大并呈球狀,具有良好的綜合機(jī)械性能,因此調(diào)質(zhì)后的活塞桿金相組織應(yīng)為細(xì)小、均勻的回火索氏體,這是要求對(duì)材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)的原因。調(diào)質(zhì)后的金相組織均勻程度越好,斷面應(yīng)力分布越均勻,避免了應(yīng)力集中。

        38CrMoAl中的貝氏體是因淬火后冷卻不好(比如冷卻太慢)形成的,且在后續(xù)回火過程中沒有完全被消除?;鼗饻囟鹊目刂浦苯佑绊戜摰臎_擊韌性。

        42CrMo帶狀組織是由淬火加熱溫度偏低導(dǎo)致金相組織不均勻,致使回火索氏體呈帶狀分布形成的。由于鋼在結(jié)晶過程中容易沿散熱方向出現(xiàn)柱狀晶,同時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的枝晶偏析,造成合金成分在微觀上的不均勻性。若熱處理工藝不當(dāng),在調(diào)質(zhì)過程中會(huì)“遺傳”這種分布狀態(tài),形成帶狀組織。

        金相組織分析結(jié)果說明制造活塞桿鍛件的金相組織不符合要求,沒有嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行熱處理,基體組織未能形成均勻回火索氏體。熱處理不當(dāng),晶間網(wǎng)狀碳化物的形成和夾雜物的偏聚,降低了晶間結(jié)合力和材料的沖擊韌性,使疲勞斷裂出現(xiàn)沿晶和穿晶混合斷口,增大了活塞桿的脆性斷裂傾向。

        1.3 機(jī)械加工存在的問題

        從活塞桿斷裂部位可看出,活塞桿端部的螺紋加工制造存在比較嚴(yán)重的質(zhì)量問題,螺紋加工粗糙,螺紋牙根部出現(xiàn)較明顯的車削溝痕,螺紋根部的應(yīng)力集中反映在斷裂截面上。對(duì)于承受沖擊載荷的活塞桿,加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制尖銳性結(jié)構(gòu)的存在,所有結(jié)構(gòu)的過渡必須采用圓滑過渡,而且必須消除構(gòu)件的制造應(yīng)力。

        1.4 安裝精度不高

        活塞桿安裝時(shí)因精度不高造成與十字頭之間的縫隙過大,表3為滑道與十字頭間隙的實(shí)測(cè)平均值與設(shè)計(jì)值。為了消除過大的間隙,按規(guī)定需采用螺母進(jìn)行調(diào)整,但此處是加墊片進(jìn)行調(diào)整,致使活塞桿螺紋承受過大的預(yù)緊力;反向的十字頭中心位置安裝不準(zhǔn)確,引起十字頭跳動(dòng)量過大,給活塞桿施加了一個(gè)附加彎曲應(yīng)力,降低了活塞桿螺紋處的安全應(yīng)力幅系數(shù),促使了塞桿延應(yīng)力集中截面斷裂。

        表3 滑道與十字頭間隙 mm

        2 改進(jìn)預(yù)防措施

        經(jīng)分析活塞桿材料仍可采用38CrMoAl、42CrMo,但要求制造廠家一定要嚴(yán)格按照熱處理工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,調(diào)質(zhì)處理后必須進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),保證綜合機(jī)械性能。為提高活塞桿表面的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能,38CrMoAl進(jìn)行表面氮化處理,使其硬度不小于700HBW,42CrMo做淬火處理,使其硬度為480~560HBW。承受交變載荷的重要構(gòu)件必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

        活塞桿端部螺紋擠壓加工(滾制螺紋),螺紋精度要求保證二級(jí)。擠壓螺紋由于螺紋底徑圓角符合規(guī)定,避免了應(yīng)力集中,明顯提高了活塞桿的抗沖擊載荷、剪應(yīng)力和彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的能力,延長(zhǎng)其使用壽命。

        嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行安裝,采取有效措施,防止碰傷活塞桿。安裝活塞桿螺帽前,必須徹底清洗活塞桿和螺帽螺紋,并涂抹螺栓防咬合劑。在維修中確?;钊麠U與十字頭連接處的預(yù)緊力和活塞桿中心與十字頭中心的對(duì)中精度。

        在使用過程中,應(yīng)制定活塞桿定期檢測(cè)制度:檢查時(shí)應(yīng)打開活塞,利用超聲波檢測(cè)活塞桿內(nèi)部有無缺陷,使用著色探傷檢查活塞桿表面有無微裂紋;重點(diǎn)檢查螺紋部位有無損傷;在檢修時(shí)要分清十字頭滑板的受力側(cè)與非受力側(cè),正確調(diào)整十字頭中心高;一般一年對(duì)螺紋處進(jìn)行一次磁粉探傷,3年更換一根活塞桿。

        3 結(jié)束語

        針對(duì)壓縮機(jī)活塞桿連續(xù)幾次斷裂具有的共同特征,從活塞桿材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織及機(jī)械加工等方面分析其斷裂原因,并提出有效的改進(jìn)措施。改造后的活塞桿運(yùn)行時(shí)間均超過18個(gè)月,證明了斷裂原因分析是正確的,技術(shù)改造是成功的。

        [1] 裘潯雋,楊瑜文.離心壓縮機(jī)系統(tǒng)控制規(guī)律的分析[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(11):1346~1347,1363.

        [2] 伍凌,易瑩杰,徐杰.國(guó)產(chǎn)DCS中富氣壓縮機(jī)防喘振控制方案的實(shí)施[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(5):624~625,635.

        [3] 毛彥君,張濤.S7-300在化肥行業(yè)M85-206C CO2壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(1):92~95.

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