壓縮機壓閥罩?jǐn)嗔咽Х治?/h1>
2016-12-26 02:20:32初泰安
化工機械 2016年6期 關(guān)鍵詞：裂紋
初泰安
(中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司)
壓縮機壓閥罩?jǐn)嗔咽Х治?/p>
初泰安*
(中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司)
某公司芳烴重整裝置往復(fù)式壓縮機中壓閥罩在使用兩個月后出現(xiàn)開裂。為查明失效原因，通過SEM、金相觀察及有限元分析等方法進(jìn)行檢驗分析。結(jié)果表明：壓閥罩受力過大是引起開裂的主要原因，材料內(nèi)部磷共晶含量偏高和石墨分布不均加劇了開裂。
壓縮機 壓閥罩 失效分析 有限元 鑄鐵
某公司芳烴廠往復(fù)式壓縮機(型號2D10)中壓閥罩在使用兩個月后出現(xiàn)變形開裂，影響壓縮機正常運行。為查明失效原因，對壓閥罩開裂原因進(jìn)行分析[1～5]。
壓閥罩為壓縮機內(nèi)部零件，材料為HT250，其上下端面分別與法蘭和外殼接觸，被法蘭壓緊。法蘭上均布12個規(guī)格為M30的螺栓，每個螺栓緊固扭矩為1 260N·m，發(fā)生變形開裂后，螺栓扭矩降為900N·m。
1 宏觀形貌分析
失效后的壓閥罩如圖1所示。下端面周向上均勻分布6條軸向裂紋，長度基本一致，裂紋貫穿內(nèi)外壁。在壓閥罩環(huán)向變截面處，沿周向均勻分布沿環(huán)向擴展的裂紋，裂紋長度接近壓閥罩中部開孔寬度。
圖1 壓閥罩宏觀照片及局部取樣位置
2 斷口分析
在失效后的壓閥罩上進(jìn)行取樣，因軸向和環(huán)向裂紋在圓周上均勻分布，位置和長度基本一致，故取典型的軸向(1#)和環(huán)向(2#)裂紋試樣各一處，取樣位置如圖1所示。
對兩處試樣斷面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)：斷口表面無明顯塑性變形，有明顯的人字或山形條紋，為典型的脆性斷裂特征；斷口表面氧化生銹，1#試樣氧化程度從壓閥罩下端面沿軸向逐漸減輕，在裂紋末端可見新鮮的金屬光澤，說明其啟裂位置為壓閥罩下端面；1#、2#試樣裂紋靠近外面處氧化程度大于內(nèi)表面，說明裂紋從外部啟裂，沿厚度方向向內(nèi)擴展。
利用掃描電鏡(SEM)對裂紋斷面進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖2所示。
a.1# ×200
b. 2# ×100
掃描電鏡下可見斷面表面有氧化物附著，斷面上可見解理面和小韌窩，可判定斷口為混合斷裂，以脆性斷裂為主。較高倍率下可以看到斷口表面呈冰糖狀的完整晶粒面，可判斷斷口為沿晶斷裂。
3 金相分析
GB 4739-2010中規(guī)定HT250為珠光體類型的灰鑄鐵，其金相組織應(yīng)為片狀石墨+珠光體。片狀石墨長度4～5級，無定向分布，其含量占基體的4%～7%，珠光體為細(xì)片狀，二元磷共晶少于2%。
對壓閥罩上取得的試樣進(jìn)行打磨、拋光，浸蝕前、后使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖3所示。光鏡下觀察可見試樣內(nèi)石墨為無方向性片狀A(yù)型石墨，但分布不均，部分石墨粗大，存在石墨塊；石墨長度均為3級，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這將使鑄鐵硬度、強度偏低，力學(xué)性能下降。浸蝕后的試樣基體組織為細(xì)片狀珠光體，同時存在孤立塊狀二元磷共晶，其含量多于2%，磷共晶數(shù)量為2級?；w中存在二元磷共晶且含量過多，易引起基體開裂，在應(yīng)力作用下不斷擴展，導(dǎo)致最終開裂失效。
a. 浸蝕前 ×100 b. 浸蝕后 ×100
4 受力分析
在壓縮機中，壓閥罩上端面被法蘭壓緊。該法蘭上均布12個規(guī)格為M30的螺栓，每個螺栓上的擰緊力矩為1 260N·m。壓閥罩失效后，將擰緊力矩降為900N·m。
壓閥罩橫截面尺寸沿軸向變化，從上到下選取壓閥罩上不同尺寸的4個尺寸變化的截面進(jìn)行強度校核。
法蘭上單個螺栓載荷Qp為：
(1)
式中d——螺栓直徑；
T——作用在單個螺栓上的扭矩。
作用在壓閥罩上的總作用力F可表示為：
F=12Qp
(2)
作用在壓閥罩不同截面上的壓應(yīng)力σ可表示為：
(3)
其中A為不同截面截面積。
根據(jù)式(1)～(3)計算的結(jié)果列于表1。
表1 不同截面所受壓應(yīng)力
對比GB 9439-2010中規(guī)定的HT250的抗壓強度為840MPa，失效前、后壓閥罩所受壓應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。
為了解壓閥罩各處的應(yīng)力情況，進(jìn)行有限元分析。在有限元軟件ABAQUS中建立壓閥罩的等尺寸實體模型，定義材料為HT250，彈性模量110 GPa，泊松比0.26[6]，僅考慮模型在彈性段的力學(xué)性能。其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。根據(jù)壓閥罩實際工作條件，將壓閥罩上端所受法蘭壓力等效為作用在上端面的均布壓力載荷，根據(jù)失效前、后的螺栓扭矩，計算得到均布壓力載荷分別為117.44、83.88MPa。壓閥罩下端面與筒體接觸，設(shè)為固支邊界。
圖4 壓閥罩模型網(wǎng)格劃分結(jié)果
當(dāng)擰緊力矩為1 260N·m時，壓閥罩局部變形如圖5所示，模擬結(jié)果與實際情況一致。
總體應(yīng)力云圖如圖6所示。壓閥罩最大應(yīng)力為1 293MPa，出現(xiàn)在支撐梁根部；壓閥罩在圖示局部放大處存在應(yīng)力集中，應(yīng)力集中位置與壓閥罩開裂位置一致。3處最大應(yīng)力分別為1 293、1 193、923MPa，均超過了HT250的抗壓強度，說明在該扭矩下，壓閥罩結(jié)構(gòu)已失效，材料發(fā)生局部開裂。
壓閥罩失效后擰緊力矩降為900N·m，此時壓閥罩應(yīng)力云圖如圖7所示。壓閥罩總體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為924MPa，仍出現(xiàn)在支撐梁根部轉(zhuǎn)角處；壓閥罩結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處最大應(yīng)力分別為924、848、664MPa。在擰緊扭矩900N·m時，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力仍超過HT250抗壓強度，故擰緊力矩仍需減小。
圖5 壓閥罩變形過程圖
圖6 擰緊力矩為1 260N·m時壓閥罩應(yīng)力云圖
圖7 擰緊力矩為900N·m時壓閥罩應(yīng)力云圖
當(dāng)擰緊力矩降至818N·m時，壓閥罩整體最大應(yīng)力值為839.7MPa，低于HT250抗壓強度，其應(yīng)力云圖如圖8所示。故螺栓擰緊力矩不應(yīng)大于818N·m。
圖8 擰緊力矩為818N·m時壓閥罩應(yīng)力云圖
5 結(jié)論
5.1引起壓閥罩開裂的主要原因為壓閥罩壓緊載荷過大，其內(nèi)部應(yīng)力超過HT250抗壓強度，導(dǎo)致開裂。
5.2壓閥罩?jǐn)嗔逊绞綖橐匝鼐Т嘈詳嗔褳橹鞯幕旌蠑嗔眩鸭y從壓閥罩下端面和外壁面啟裂，沿軸向和厚度方向擴展。
5.3壓閥罩基體組織與HT250基本一致，由細(xì)片狀珠光體組成，石墨為無方向性片狀A(yù)型石墨，但部分石墨分布不均，粗大呈塊狀；基體中二元磷共晶含量多于2%；這些都會使材料力學(xué)性能下降，更易開裂。
5.4壓閥罩壓緊時，法蘭上的螺栓擰緊力矩應(yīng)不大于818N·m，以使壓閥罩最大應(yīng)力低于其抗壓強度，保證安全。
[1] 胡在磯. 鑄鐵材料的脆性斷裂的分析[J]. 鑄造技術(shù), 1986, 7(6): 57～63.
[2] 趙占彪, 張琴, 霍星, 等. 灰口鑄鐵斷裂破壞的觀察與研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1999, 20(4): 114～116.
[3] 丁厚福, 李先芬, 祖方遒, 等. 低合金鑄鐵汽車制動鼓的失效分析[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004,27 (9): 983～986.
[4] 曹國洲, 肖道清. 鑄鐵支架斷裂失效分析[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(21): 185～186.
[5] 賀潤桐, 龍銳, 顧進(jìn)立, 等. 灰鑄鐵斷裂過程中石墨的行為及其在斷口上的形貌特征[J]. 洛陽工學(xué)院學(xué)報, 1987,8 (2): 11～19.
[6] GB/T 9439-2010, 灰鑄鐵件[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.
*初泰安, 男，1970年7月生，高級工程師。寧夏回族自治區(qū)銀川市，750411。
TQ051.21
B
0254-6094(2016)06-0829-04
2016-07-08)
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某公司芳烴重整裝置往復(fù)式壓縮機中壓閥罩在使用兩個月后出現(xiàn)開裂。為查明失效原因，通過SEM、金相觀察及有限元分析等方法進(jìn)行檢驗分析。結(jié)果表明：壓閥罩受力過大是引起開裂的主要原因，材料內(nèi)部磷共晶含量偏高和石墨分布不均加劇了開裂。
壓縮機 壓閥罩 失效分析 有限元 鑄鐵
某公司芳烴廠往復(fù)式壓縮機(型號2D10)中壓閥罩在使用兩個月后出現(xiàn)變形開裂，影響壓縮機正常運行。為查明失效原因，對壓閥罩開裂原因進(jìn)行分析[1～5]。
壓閥罩為壓縮機內(nèi)部零件，材料為HT250，其上下端面分別與法蘭和外殼接觸，被法蘭壓緊。法蘭上均布12個規(guī)格為M30的螺栓，每個螺栓緊固扭矩為1 260N·m，發(fā)生變形開裂后，螺栓扭矩降為900N·m。
1 宏觀形貌分析
失效后的壓閥罩如圖1所示。下端面周向上均勻分布6條軸向裂紋，長度基本一致，裂紋貫穿內(nèi)外壁。在壓閥罩環(huán)向變截面處，沿周向均勻分布沿環(huán)向擴展的裂紋，裂紋長度接近壓閥罩中部開孔寬度。
圖1 壓閥罩宏觀照片及局部取樣位置
2 斷口分析
在失效后的壓閥罩上進(jìn)行取樣，因軸向和環(huán)向裂紋在圓周上均勻分布，位置和長度基本一致，故取典型的軸向(1#)和環(huán)向(2#)裂紋試樣各一處，取樣位置如圖1所示。
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利用掃描電鏡(SEM)對裂紋斷面進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖2所示。
a.1# ×200
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a. 浸蝕前 ×100 b. 浸蝕后 ×100
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壓閥罩橫截面尺寸沿軸向變化，從上到下選取壓閥罩上不同尺寸的4個尺寸變化的截面進(jìn)行強度校核。
法蘭上單個螺栓載荷Qp為：
(1)
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T——作用在單個螺栓上的扭矩。
作用在壓閥罩上的總作用力F可表示為：
F=12Qp
(2)
作用在壓閥罩不同截面上的壓應(yīng)力σ可表示為：
(3)
其中A為不同截面截面積。
根據(jù)式(1)～(3)計算的結(jié)果列于表1。
表1 不同截面所受壓應(yīng)力
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為了解壓閥罩各處的應(yīng)力情況，進(jìn)行有限元分析。在有限元軟件ABAQUS中建立壓閥罩的等尺寸實體模型，定義材料為HT250，彈性模量110 GPa，泊松比0.26[6]，僅考慮模型在彈性段的力學(xué)性能。其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。根據(jù)壓閥罩實際工作條件，將壓閥罩上端所受法蘭壓力等效為作用在上端面的均布壓力載荷，根據(jù)失效前、后的螺栓扭矩，計算得到均布壓力載荷分別為117.44、83.88MPa。壓閥罩下端面與筒體接觸，設(shè)為固支邊界。
圖4 壓閥罩模型網(wǎng)格劃分結(jié)果
當(dāng)擰緊力矩為1 260N·m時，壓閥罩局部變形如圖5所示，模擬結(jié)果與實際情況一致。
總體應(yīng)力云圖如圖6所示。壓閥罩最大應(yīng)力為1 293MPa，出現(xiàn)在支撐梁根部；壓閥罩在圖示局部放大處存在應(yīng)力集中，應(yīng)力集中位置與壓閥罩開裂位置一致。3處最大應(yīng)力分別為1 293、1 193、923MPa，均超過了HT250的抗壓強度，說明在該扭矩下，壓閥罩結(jié)構(gòu)已失效，材料發(fā)生局部開裂。
壓閥罩失效后擰緊力矩降為900N·m，此時壓閥罩應(yīng)力云圖如圖7所示。壓閥罩總體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為924MPa，仍出現(xiàn)在支撐梁根部轉(zhuǎn)角處；壓閥罩結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處最大應(yīng)力分別為924、848、664MPa。在擰緊扭矩900N·m時，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力仍超過HT250抗壓強度，故擰緊力矩仍需減小。
圖5 壓閥罩變形過程圖
圖6 擰緊力矩為1 260N·m時壓閥罩應(yīng)力云圖
圖7 擰緊力矩為900N·m時壓閥罩應(yīng)力云圖
當(dāng)擰緊力矩降至818N·m時，壓閥罩整體最大應(yīng)力值為839.7MPa，低于HT250抗壓強度，其應(yīng)力云圖如圖8所示。故螺栓擰緊力矩不應(yīng)大于818N·m。
圖8 擰緊力矩為818N·m時壓閥罩應(yīng)力云圖
5 結(jié)論
5.1引起壓閥罩開裂的主要原因為壓閥罩壓緊載荷過大，其內(nèi)部應(yīng)力超過HT250抗壓強度，導(dǎo)致開裂。
5.2壓閥罩?jǐn)嗔逊绞綖橐匝鼐Т嘈詳嗔褳橹鞯幕旌蠑嗔眩鸭y從壓閥罩下端面和外壁面啟裂，沿軸向和厚度方向擴展。
5.3壓閥罩基體組織與HT250基本一致，由細(xì)片狀珠光體組成，石墨為無方向性片狀A(yù)型石墨，但部分石墨分布不均，粗大呈塊狀；基體中二元磷共晶含量多于2%；這些都會使材料力學(xué)性能下降，更易開裂。
5.4壓閥罩壓緊時，法蘭上的螺栓擰緊力矩應(yīng)不大于818N·m，以使壓閥罩最大應(yīng)力低于其抗壓強度，保證安全。
[1] 胡在磯. 鑄鐵材料的脆性斷裂的分析[J]. 鑄造技術(shù), 1986, 7(6): 57～63.
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[3] 丁厚福, 李先芬, 祖方遒, 等. 低合金鑄鐵汽車制動鼓的失效分析[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004,27 (9): 983～986.
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[6] GB/T 9439-2010, 灰鑄鐵件[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.
*初泰安, 男，1970年7月生，高級工程師。寧夏回族自治區(qū)銀川市，750411。
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