唐 敏

（中國石油化工總公司，廣東 廣州 510725）

引言

壓縮機(jī)活塞桿失效是石油化工企業(yè)常見的機(jī)械故障問題，本文分析了活塞桿失效的基礎(chǔ)理論，內(nèi)容包括三個(gè)方面：疲勞損傷機(jī)理；活塞桿失效分析方法選擇；活塞桿失效影響因素分析，主要目的是為開展活塞桿故障模型的建立與試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

1 疲勞損傷理論

材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細(xì)微裂紋進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷擴(kuò)展的結(jié)果，被稱為疲勞損傷。循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致材料不斷損傷，這個(gè)疲勞損傷過程不斷積累，使得材料壽命不斷減少，直至材料完全損傷[1]。機(jī)械零件在使用時(shí)，必須考慮其強(qiáng)度、剛度和疲勞損傷，疲勞損傷是當(dāng)前機(jī)械故障的重要原因。微觀角度來說，疲勞裂紋和微觀組織塑變關(guān)系密切。宏觀角度來說，機(jī)械應(yīng)力較小時(shí)，主要發(fā)生彈性應(yīng)變，彈性應(yīng)變時(shí)機(jī)械使用壽命較長，這稱為應(yīng)力疲勞；當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)，機(jī)械會(huì)發(fā)生塑性應(yīng)變，機(jī)械壽命會(huì)縮短，這稱為應(yīng)變疲勞[2]。

2 活塞桿失效分析方法選擇

失效分析指對(duì)失效事故進(jìn)行分析，來判斷失效的原因，并提出預(yù)防和整改措施，其中喪失規(guī)定功能的制件稱為失效件。

按照構(gòu)件的失效速度進(jìn)行分類，失效可以分為突發(fā)失效、漸進(jìn)失效和間歇失效。以失效的技術(shù)觀點(diǎn)進(jìn)行分類，失效可以分為有三種：變形失效、表面損傷失效及斷裂失效，其中斷裂失效危害性最大，是本文研究的重點(diǎn)。具體失效類型如下。

2.1 失效分析程序的確定

對(duì)一個(gè)失效件的分析內(nèi)容有很多，為了保證分析的準(zhǔn)確性，防止后續(xù)分析的結(jié)果受到前面分析的影響，作者需要制定詳細(xì)的失效分析步驟，最終確定失效分析的程序如下：

1）失效事件的調(diào)查；

2）失效樣品的收集與保管；

3）失效樣品的背景資料調(diào)查分析；

4）制定失效分析方案；

5）試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)分析應(yīng)有具體的試驗(yàn)內(nèi)容和過程，本文主要對(duì)失效樣品的試驗(yàn)分析包括：宏觀分析；微觀分析；材質(zhì)分析；制造質(zhì)量分析；綜合分析最終得到試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)以上各試驗(yàn)分析所得的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，判定失效件的失效模式及原因，完成失效分析報(bào)告。

針對(duì)失效件發(fā)生失效的原因及模式，提出改進(jìn)措施，并將改進(jìn)方法措施反饋到生產(chǎn)中去，在生產(chǎn)中驗(yàn)證分析結(jié)果，并再次改進(jìn)，避免類似的失效事件再次發(fā)生，達(dá)到失效分析的最終目的。

2.2 失效分析方法選擇

失效分析技術(shù)是指在失效分析過程中采用的技術(shù)和手段。失效分析技術(shù)種類很多，但總體上可以概括為兩類：破壞性的和非破壞性的。具體來說失效分析技術(shù)包括以下幾種：感官檢查診斷技術(shù)、痕跡分析技術(shù)、斷口分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、力學(xué)性能測試技術(shù)、無損檢測技術(shù)、殘余應(yīng)力測試等。

2.3 活塞桿斷裂失效機(jī)理分析

活塞桿斷裂失效在各種失效形式中危害最大，有常見性和突發(fā)性的特點(diǎn)。斷裂失效按照機(jī)理可以分為塑性斷裂、脆性斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、疲勞斷裂等[3]。

2.3.1 塑性斷裂

塑性斷裂是指有較好韌性的材料所承受的載荷超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)所發(fā)生的斷裂，在斷裂之前材料產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，塑性斷裂過程很緩慢。塑性變形的形式和大小與材料的性質(zhì)和所受的應(yīng)力有關(guān)，這是因?yàn)樵跀嗔训倪^程中進(jìn)行塑性變形需要消耗能量。

2.3.2 脆性斷裂

脆性斷裂是指在斷裂之前沒有或很少發(fā)生塑性變形，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)發(fā)生瞬間斷裂的一種斷裂事故。脆性斷裂沒有預(yù)兆，因此其危險(xiǎn)性最大。脆性斷裂按脆斷原因可分為材質(zhì)脆斷、應(yīng)力脆斷、工藝脆斷和環(huán)境脆斷；按斷裂的形式分為兩種：沿晶脆斷和穿晶解理脆斷[4]。

2.3.3 應(yīng)力腐蝕斷裂

應(yīng)力腐蝕斷裂是構(gòu)件在靜載拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕斷裂斷口的宏觀特征一般為顆粒狀，斷口平齊，與主應(yīng)力垂直，無明顯塑性變形，斷口常常被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，顏色灰暗，裂紋萌生區(qū)域微觀上有泥紋狀花樣。

2.3.4 疲勞斷裂

疲勞斷裂是構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂。疲勞斷裂在各種斷裂失效中最常見，危害性最大。人們對(duì)其發(fā)生的原因及機(jī)理的研究也最重視。

3 活塞桿失效影響因素分析

隨著工作載荷的變化，活塞桿構(gòu)件疲勞會(huì)受如下因素影響。

3.1 應(yīng)力集中因素

研究表明，活塞桿構(gòu)件幾何形狀突變處的部分區(qū)域，應(yīng)力顯著增加，而遠(yuǎn)離這些區(qū)域，應(yīng)力又趨平緩，這就是活塞桿失效的應(yīng)力集中因素[5]。

3.2 尺寸變化因素

因應(yīng)力梯度關(guān)系，活塞桿的失效強(qiáng)度會(huì)隨其尺寸的增大而降低。

3.3 表面狀態(tài)因素

機(jī)械表面往往是最大應(yīng)力常出現(xiàn)的地方，往往也是疲勞裂紋出現(xiàn)的地方。

3.4 載荷頻率因素

活塞桿強(qiáng)度受載荷頻率的影響，和試樣處于最大載荷下的時(shí)間有關(guān)。因塑性變形在應(yīng)力之后，最大應(yīng)力作用時(shí)間越長，強(qiáng)度越高。在室溫下的加載頻率，一般對(duì)活塞桿的疲勞極限沒有明顯的影響。

3.5 熱處理工藝因素

研究表明，機(jī)械零件在高溫時(shí)快速冷卻，其表面可形成殘余壓應(yīng)力，在熱處理時(shí)，零件缺口處的殘余壓應(yīng)力會(huì)使強(qiáng)度提高30%左右，而缺口的殘拉應(yīng)力反而使強(qiáng)度降低30%左右。但實(shí)踐表明，有時(shí)快速冷卻淬火又會(huì)使機(jī)械構(gòu)件表面產(chǎn)生裂紋。究竟熱處理對(duì)活塞桿失效的影響如何，還需要在實(shí)踐中不斷總結(jié)。

3.6 材料性能因素

在特定條件下，活塞桿疲勞極限與抗拉強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性較好，因此，在研究數(shù)據(jù)缺少、且無條件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，可以用抗拉強(qiáng)度的數(shù)值來近似估算活塞桿疲勞極限[6-7]。

3.7 平均應(yīng)力因素

相關(guān)試驗(yàn)表明，平均應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度成反比。即拉伸平均應(yīng)力會(huì)使疲勞強(qiáng)度降低，活塞桿壽命降低；壓縮平均應(yīng)力會(huì)使疲勞強(qiáng)度增加，活塞桿壽命增加[8]。

4 結(jié)語

活塞桿失效的因素有很多，失效分析方法的選擇很重要。合理的失效分析方法，不僅能快速找到壓縮機(jī)活塞桿失效的原因，對(duì)失效問題的快速解決幫助很大，對(duì)石油化工企業(yè)設(shè)備的正常運(yùn)行及安全生產(chǎn)意義重大。文章通過對(duì)壓縮機(jī)活塞桿失效的基礎(chǔ)理論分析，為后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供理論、方法、技術(shù)和具體的操作步驟。