氢气压缩机活塞杆断裂失效分析

李蔚鹏 杨明明 郑瑾

摘要：压缩机是石油化工等行业重要的生产设备之一，其运行周期长短直接影响到企业的安全及生产效益。因此，业内对往压缩机检测及重视程度越来越高，而活塞杆断裂是往压缩机运行事故的主要原因之一，活塞杆发生突然断裂失效给石化企业安全生产带来很大的威胁。基于此，本文主要对氢气压缩机活塞杆断裂失效进行分析探讨。

关键词：氢气压缩机;活塞杆;断裂失效

前言

据不完全统计，活塞杆断裂在氢气压缩机的失效事故中十分普遍，由活塞杆断裂引起的氢气压缩机连锁破坏，甚至造成重大人员伤亡和经济损失的事故时有发生。作者以某石化企业从国外进口的一台氢气压缩机断裂活塞杆作为研究对象，探讨活塞杆失效原因，并提出改进建议。

1 试样制备与试验方法

对活塞杆断裂处进行取样、通过肉眼观察表面断口，线切割制取金相试验试样，通过金相显微镜观察活塞杆的微观组织，采用EDS分析仪分析试样中的合金元素含量以及腐蚀产物成分，线切割制取力学性能试样，并测试断裂处活塞杆的力学性能，用SEM扫描电镜分析活塞杆的断口微观形貌。

2 试验结果与分析

2.1 宏观分析

由图1可知，活塞杆断面与轴线方向垂直，断口由平整和粗糙两个区域部分，粗糙区所在断口面积比例约10%，表明断口基本属于脆性断口。粗糙区为断口最终断裂区，处于断口边缘，断口表面可见断裂放射线并指向最终断裂区，由此可见，表明裂纹源位于活塞杆圆周外缘部位，具有多源性，属于轴向交变应力所导致的疲劳断裂。

2.2成分分析

EDS能谱成分分析结果表明，活塞杆材料为42CrMo钢（表1）。由表1可知，活塞杆材料中含有1.10%的Cr和0.32%的Mo元素，尽管钼含量偏高，可以判断活塞杆实际用钢为42CrMo。42CrMo是一种典型的耐热低合金钢，有良好的高温耐氧化性和高温强度。从表1中还可以看出，活塞杆中P元素含量与GB/T3077标准值相符，但是S元素含量达0.015%，硫元素会引起耐热钢的热脆性，硫元素含量超标对耐热钢的性能是十分有害的，降低活塞杆的高温持久强度和使用寿命。

2.3显微组织

活塞杆选材为42CrMo钢，供货状态为调质，由显微组织分析可知活塞杆微观组织为回火索氏体+铁素体，图中白色条状物为铁素体，索氏体组织较为粗大，颗粒状碳化物分布于铁素体条之间，原马氏体位向明显。由铁素体条的形状、大小和分布可知该活塞杆在淬火时形成的马氏体组织非常粗大，由活塞杆外表面向内，马氏体组织等级依次降低，外表面马氏体等级为8级，半径中部马氏体等级为7级，活塞杆心部马氏体等级为6级。由于活塞杆横截面马氏体组织均较粗大，从而大幅降低了活塞杆的韧性。

由表2可知，活塞杆显微维氏硬度由表及里分别为251HV0.2、249HV0.2和235HV0.2，硬度呈现逐渐下降趋势。螺纹表面和螺纹根部硬度基本接近，没有表面脱碳软化现象发生。

2.4力学性能

活塞杆的抗拉强度和冲击韧性低于国家标准GB3077-2015中42CrMo钢调质处理后性能标准的要求，塑性尚可。淬火形成的粗大马氏体组织导致韧性下降，最终发生早期疲劳断裂。

2.5断口形貌

断口表面被腐蚀产物覆盖，局部可粗略观察到疲劳辉纹存在。通过EDS成分分析发现碳元素含量约为14.35%，氧元素含量约为4.67%，并伴有少量0.64%氯元素。断口表面的碳元素可能是由于含碳有机物（如机油等）污染所致，氧元素是由于断口在空气环境中氧化所致。活塞杆本体未与介质相接触，可排除腐蚀疲劳断裂的可能性，由此可断该活塞杆的断裂应为自身韧性不足，在机械交变应力作用下发生的疲劳断裂。

3 活塞桿断裂失效对策措施

3.1活塞杆制造结构改进

活塞杆结构的改进也会对寿命延长起到作用，重新设计活塞杆的结构，将活塞体与活塞杆紧固方式由电加热形式更改为超级螺母形式，超级螺母指的是超强的预紧力，有一个顶锥螺母，螺母上还有一圈小螺钉，逐级紧固，利用普通的扭矩扳手也可达到极高的紧固力。

3.2原料管理控制措施

在活塞杆运行环境中，介质对活塞杆的影响是至关重要的，因此，作者及时调整、优化原料的工艺参数，并与生产调度部门协商控制原料管理，尤其是调度与罐区原料流程变更的操作管理，强化工艺纪律管理，平稳上游装置操作，加强预加氢原料监控，主要目的是降低原料重组分含量及烯烃含量，杜绝原料受污染。加工二次组分油时，要进行全面评估，装置正常生产过程中在重整装置入口定期采样监测原油的密度、含水、盐、硫、酸值等性质，严格控制硫含量，要求检验分析结果明确进料硫含量的具体数据，利用低硫进料对反应系统设备进行钝化。

3.3工艺操作控制措施

在活塞杆使用过程中，除了介质的影响，人对设备的操作正确与否也是一个关键因素，设备操作不当，也会造成设备提前老化，减少设备的使用寿命。因此作者在工艺操作规程中增加了部分新的内容，以确保设备的正常运行。主要内容是要求：

（1）在生产运行中确保工艺流程中空冷A101A-D全部正常投用，尽量降低介质进入罐V103温度，减少介质带液。

（2）控制好罐V103液位，在保证介质不串气的情况下，尽量拉低V103液位。加大入口分液罐V104体积，同时要切实做好入口分液罐V104的排液工作，对V104每12小时排液一次，做好记录，防止介质带液。

（3）加大管线入口伴热蒸汽线的伴热，提高压缩机入口温度和出口温度，尽量避免介质中的烃类成液态。

4、结论与建议

活塞杆的失效形式为疲劳断裂，裂纹起源位于第二道螺纹根部。活塞杆的热处理工艺不当使得活塞杆各部位组织极不均匀，导致活塞杆材料的屈服强度、抗拉强度、硬度、冲击韧度等多项力学性能均不满足标准要求，特别是螺纹区域的强度远远达不到要求，这是活塞杆过早发生疲劳断裂的主要原因。为防止类似事故的再次发生，建议：严格控制活塞杆的热处理工艺，确保材料的组织与力学性能满足要求;活塞杆投入使用前，应严格进行表面质量检查和探伤，对服役活塞杆，应定期进行表面微裂纹检验，预防微裂纹源诱导活塞杆过早发生疲劳断裂。

参考文献：

[1]糜亮，杜春海，季彩虹，等.氢气压缩机活塞杆断裂失效分析[J].中国特种设备安全，2013，39（2）：56-58.

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