(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

0 引 言

往復(fù)式氣體壓縮機(jī)通過氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使缸體容積呈周期性變化，以此實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮和輸送。往復(fù)式氣體壓縮機(jī)在石油化工生產(chǎn)中起著重要的作用，一旦壓縮機(jī)發(fā)生故障，輕則影響正常生產(chǎn)，重則造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。曲軸是往復(fù)式氣體壓縮機(jī)中傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵部件，在化工生產(chǎn)中由于曲軸斷裂導(dǎo)致的壓縮機(jī)事故較為常見[1-2]。某煉油廠一臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中因外送流量瞬間降低而導(dǎo)致連鎖裝置自動(dòng)停機(jī)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)在曲軸驅(qū)動(dòng)軸與第一曲拐連接的主軸頸根部斷裂。觀察發(fā)現(xiàn)，曲軸外表面未見明顯的摩擦、破壞等痕跡，也未見由于安裝、配合不當(dāng)而導(dǎo)致的摩擦痕跡。由壓縮機(jī)巡檢記錄及壓縮機(jī)壓力、流量、振動(dòng)、溫度等數(shù)據(jù)監(jiān)測可知，曲軸斷裂之前工況正常，沒有出現(xiàn)運(yùn)行過載、操作不當(dāng)、額外振動(dòng)等情況。該壓縮機(jī)是一列一級(jí)臥式、水冷式甲烷壓縮機(jī)，曲軸的設(shè)計(jì)使用壽命為15 a，曲軸斷裂之前已經(jīng)使用了9 a。曲軸的額定功率為81 kW，轉(zhuǎn)速為585 r·min-1，氣缸直徑為310 mm，吸氣壓力為0.3 MPa，排氣壓力為0.7 MPa，兩曲柄互成180°。斷裂曲軸的材料為調(diào)質(zhì)處理態(tài)35CrMo鋼，曲軸在運(yùn)行過程中受到扭矩和活塞桿沖擊等交變應(yīng)力的作用。為了分析曲軸斷裂的原因，并防止類似事故再次發(fā)生，作者對(duì)該曲軸進(jìn)行了失效分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 斷口宏觀形貌

觀察發(fā)現(xiàn)，該壓縮機(jī)曲軸斷為兩截，斷口表面具有金屬光澤，未見明顯腐蝕特征。由圖1可以看出，曲軸斷裂位置為第一節(jié)主軸頸根部，斷口整體與主軸線成45°，符合正斷型扭轉(zhuǎn)疲勞斷口特征。由圖2可以看出：失效曲軸斷口一側(cè)因斷裂后受到擠壓而發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形；失效曲軸斷口存在疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。斷口有兩個(gè)裂紋源，1#裂紋源位于主軸頸過渡圓角處，2#裂紋源位于油孔處，該處因反復(fù)擠壓而發(fā)亮；由于斷裂類型為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，因此疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)中未觀察到明顯的疲勞貝紋線特征；瞬時(shí)斷裂區(qū)占斷口總面積的50%；斷口底部和油孔處均有明顯的機(jī)械加工痕跡。用LEICA DMS1000型體視顯微鏡觀察失效曲軸軸頸與曲柄連接處的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)軸頸與曲柄連接處的過渡圓角形狀不規(guī)則。圓角底部的表面粗糙度Ra為3.2 μm，標(biāo)準(zhǔn)要求曲軸變截面處應(yīng)有較大的過渡圓角并進(jìn)行研磨拋光，表面粗糙度一般應(yīng)達(dá)到0.20.4 μm?？梢?，過渡圓角的形狀和表面粗糙度均不符合要求。在不規(guī)則粗糙的過渡圓角和油孔附近粗糙的機(jī)械加工痕跡處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中是曲軸發(fā)生疲勞斷裂的一個(gè)重要原因[3]。

圖1 失效曲軸斷裂位置示意Fig.1 Schematic of the failed crankshaft fracture position

圖2 失效曲軸斷口宏觀形貌以及油孔處的加工痕跡Fig.2 Macroscopic morphology of the failed crankshaft fracture (a) and machining marks near oil hole (b)

1.2 斷口微觀形貌

用丙酮溶液超聲清洗失效曲軸斷口，干燥后置于S-3700型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察微觀形貌。由圖3可以看出：位于主軸頸過渡圓角處的1#裂紋源區(qū)存在較大的塊狀?yuàn)A雜物，夾雜物附近的氧化物明顯比斷口其他位置的多，說明該處裂紋產(chǎn)生的時(shí)間早于其他位置；位于油孔處的2#裂紋源在斷裂過程中受到一定的擠壓，但是仍可以觀察到放射狀紋路匯集于該裂紋源處；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)存在明顯的二次裂紋和非金屬夾雜物；瞬時(shí)斷裂區(qū)存在河流花樣和與斷裂方向一致的人字形撕裂棱。

1.3 化學(xué)成分

采用Optik-01L0017型直讀光譜儀和QL-HW2000B型高頻紅外碳硫分析儀對(duì)失效曲軸的化學(xué)成分進(jìn)行分析。由表1可知，該曲軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015對(duì)35CrMo鋼的成分要求。

1.4 顯微組織

在失效曲軸斷口附近截取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用DMM-400C型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖4可以看出，曲軸的顯微組織主要為回火索氏體，還存在呈帶狀分布的回火屈氏體和少量塊狀鐵素體，晶粒大小不均勻。根據(jù)GB/T 6394-2017判定，晶粒度級(jí)別為9級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。曲軸中存在的帶狀組織使得鋼的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，這輕則導(dǎo)致熱變形過大，重則造成應(yīng)力集中[4]。組織中存在的回火屈氏體導(dǎo)致鋼的硬度升高，晶粒大小不均勻?qū)е落摰乃苄?、韌性和疲勞性能變差[5]。

圖3 失效曲軸斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the failed crankshaft fracture: (a) 1# crack origin area; (b) 2# crack origin area; (c) fatigue crack growth area;(d) final fracture area, river pattern and (e) final fracture area, tearing ridge

圖4 失效曲軸的顯微組織Fig.4 Microstructures of the failed crankshaft: (a) at low magnification and (b) at high magnification

表1 失效曲軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.5 力學(xué)性能

按照GB/T 2975-2018，在失效曲軸斷口附近分別截取沖擊、扭轉(zhuǎn)、拉伸和硬度試樣。采用JBW-300B型微機(jī)屏顯沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)；采用ND-500型微機(jī)控制電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)；采用WAW-500C型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm·min-1；采用MVC-1000D1型維氏硬度計(jì)測失效曲軸心部和表面硬化層的硬度，載荷為98 N，保載時(shí)間為10 s。由表2可以看出：失效曲軸的屈服強(qiáng)度低于GB/T 3077-2015標(biāo)準(zhǔn)要求的33%，抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的21%，沖擊韌度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的57%，斷面收縮率低于標(biāo)準(zhǔn)要求的9%；曲軸心部硬度高于標(biāo)準(zhǔn)要求19%，表面滲氮層厚度約為0.5 mm，硬度平均值為461.9 HV。由此表明，該失效曲軸基體的硬度過高，強(qiáng)度明顯偏低，塑性和韌性較差。

表2 失效曲軸的力學(xué)性能

2 斷裂原因分析

由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，該壓縮機(jī)曲軸發(fā)生了扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。曲軸過渡圓角和油孔處均存在粗糙的機(jī)械加工痕跡，且過渡圓角形狀不滿足要求，機(jī)械加工痕跡和不規(guī)則粗糙的過渡圓角處形狀急劇變化，造成局部應(yīng)力集中；在壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，氣缸內(nèi)的氣體壓力不斷發(fā)生變化，作用在氣缸活塞上的氣體壓力、往復(fù)慣性力和往復(fù)摩擦力傳遞到活塞桿，并通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)作用到曲軸軸頸處產(chǎn)生交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋萌生。曲軸組織中存在嚴(yán)重的帶狀回火屈氏體以及大小不均勻的晶粒，造成曲軸硬度偏高，塑性和韌性較差，從而加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展；同時(shí)曲軸內(nèi)部存在的非金屬夾雜物也會(huì)使裂紋的擴(kuò)展速率增大。綜上所述，在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，曲軸主軸頸不規(guī)則且粗糙的過渡圓角和油孔附近粗糙的機(jī)械加工痕跡處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋萌生；嚴(yán)重的帶狀回火屈氏體組織、大小不均勻的晶粒以及非金屬夾雜物導(dǎo)致曲軸的力學(xué)性能變差，加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展，最終曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

3 結(jié)論及措施

(1) 曲軸發(fā)生了扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，疲勞裂紋源位于曲軸主軸頸過渡圓角處和油孔處；在長期的交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，主軸頸不規(guī)則且粗糙的過渡圓角和油孔附近粗糙的機(jī)械加工痕跡處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋萌生；嚴(yán)重的帶狀回火屈氏體組織、大小不均勻的晶粒以及非金屬夾雜物加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展，最終曲軸發(fā)生斷裂。

(2) 為防止此類事故的再次發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格控制曲軸的熱處理工藝，確保材料的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；嚴(yán)格控制曲軸的加工工藝，確保曲軸表面、過渡圓角和油孔處的粗糙度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，加強(qiáng)驗(yàn)收檢驗(yàn)，防止存在明顯表面缺陷的曲軸投入生產(chǎn)；優(yōu)化曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免過渡圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中；嚴(yán)格按照規(guī)程實(shí)施大修和日常檢查，在曲軸斷裂前發(fā)現(xiàn)微裂紋并采取控制措施。