某压缩机余隙缸标尺导架法兰开裂原因

赖玉林,方 磊,孟 祥,赖成才,段荣涛,吴娜荣,封成成

(1.机械工业上海蓝亚石化设备检所有限公司,上海 201614;2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司 第五采气厂,鄂尔多斯 017300)

往复式压缩机具有适用压力范围广、稳压能力强、能耗小、对材料要求低等优点,被广泛应用于天然气集输场站。往复式压缩机的结构复杂,在使用过程中,其部件经常发生损坏,给企业安全生产造成很大的威胁。往复式压缩机中的余隙缸标尺导架是易损部件之一,及时分析其损伤的原因并加以改进,对优化制造工艺、提升制造质量具有指导性意义[1-3]。

某公司在对一台用于集输增压的分体式往复式压缩机进行8 000 h的停机维护保养时,发现其左侧机组150 mm余隙缸标尺导架连接法兰存在裂纹,该压缩机进气量为1.5×106m3,出气量为1.5×106m3,进气压力为0.5 MPa,出气压力为1.2 MPa,标尺导架的材料为MTCrMoCu-250钢,标尺导架本体高度为260 mm,连接法兰厚度为28 mm,法兰过渡段存在高度约为3 mm的凸台且无倒角,法兰面均匀分布有10个直径为18 mm的螺栓孔。笔者采用一系列理化检验方法[4-5],分析了连接法兰开裂的原因,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂标尺导架整体及裂纹宏观形貌如图1所示。由图1可知:标尺导架手轮及法兰的防护漆完好,活塞杆及活塞表面光亮且附有少量油渍,无明显氧化、腐蚀、机械损伤等痕迹;连接法兰上存在3条裂纹,裂纹1沿法兰凸台根部环向扩展,裂纹无分叉,长度约为法兰内侧周长的7/10;裂纹2和裂纹3由环向裂纹扩展至螺栓孔,无分叉,由法兰上部向下部扩展,沿法兰壁厚方向观察,裂纹3已贯穿法兰壁厚;根据裂纹布局、形态及扩展方向可判断,裂纹1为主裂纹,其开口最大处为启裂部位,裂纹2、裂纹3为支裂纹,启裂于法兰顶面。

沿裂纹人工打开,对断口进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知:断口表面粗糙,存在金属颗粒,有起伏,断裂面周边无明显塑性变形,呈脆性开裂特征。

图2 断口的宏观形貌

1.2 金相检验

在连接法兰上取样并对试样进行金相检验,结果如图3所示。由图3可知:连接法兰的显微组织为索氏体+珠光体+片状石墨+碳化物,且以珠光体组织为主,珠光体含量大于95%,其显微组织满足JB/T 6431—2013《容积式压缩机用灰铸铁件技术条件》的要求。

图3 连接法兰的显微组织形貌

采用光学显微镜对裂纹1尖端部位进行观察,结果如图4所示。由图4可知:法兰部位裂纹沿石墨片扩展,裂纹无分叉,从尖端观察,裂纹不连续;石墨以片状为主,少量石墨呈块状,并存在粗大石墨。经测量,片状石墨宽度约为2.5 μm,粗大石墨宽度约为14 μm,依据GB/T 7216—2009《灰铸铁金相检验》,判断石墨长度级别为3级。

图4 裂纹1尖端部位的微观形貌

1.3 扫描电镜(SEM)分析

采用扫描电镜对裂纹1尖端部位进行观察,结果如图5所示。由图5可知:裂纹沿石墨片呈不连续扩展形貌,试样内存在夹杂及孔洞等缺陷;试样表面有较多宽度较大且不密实的石墨片,试样边缘及内部存在沿石墨片方向分布的裂纹,经测量,该类石墨片宽度均大于6 μm。

图5 裂纹1尖端部位的SEM形貌

在人工打开断口处取样,采用扫描电镜对试样进行分析,结果如图6所示。由图6可知:试样断面呈解理开裂特征,局部存在韧窝及颗粒状夹杂物。

图6 断口的SEM形貌

1.4 压痕试验

在裂纹1尖端部位的无裂纹处取样,采用布氏硬度试验方法对试样加载试验力,压痕试样的宏观形貌如图7所示。

图7 压痕试样的宏观形貌

压痕试样取样部位经渗透检测后并未发现裂纹,采用扫描电镜对压痕试验前后的试样进行观察,结果如图8所示。由图8可知:试验前A区存在贯穿表面的裂纹,裂纹位于长度约为160 μm的石墨片内,压痕试验前后裂纹未发生扩展;试验前B区存在未贯穿表面的埋藏型裂纹,长度约为550 μm,裂纹沿石墨片扩展。对比压痕试验前后试样的SEM形貌可知,尺寸较大的石墨片内易出现裂纹,埋藏裂纹发生明显扩展。

进一步分析压痕周边裂纹的扩展情况,对试样的压痕处进行SEM分析,结果如图9所示。由图9可知:试验前石墨片内未发现裂纹,在一定的外力作用下,石墨片内产生沿长度方向扩展的裂纹,但尺寸较小的石墨(长度小于50 μm,宽度小于3.6 μm)受影响程度较低。

1.5 力学性能测试

在连接法兰表面无缺陷部位取样,对试样进行硬度测试,结果如表1所示。由表1可知:试样的硬度不满足JB/ZQ 4340—2006《耐磨铸铁》对Cu-Cr-Mo合金铸铁及JB/GQ 0033—1998《耐摩铸铁》对MTCrMoCu-250钢的要求。

表1 连接法兰的硬度测试结果 HBW

在标尺导架上取样,对试样进行拉伸及冲击试验,结果如表2所示。由表2可知:标尺导架的抗拉强度不满足标准要求。

表2 标尺导架的拉伸及冲击试验结果

1.6 垢物成分分析

对裂纹3裂纹面附着垢物进行化学成分分析,结果如表3所示。由表3可知:垢物中含有较多的C元素和O元素,经分析C元素和O元素来源于使用或检修过程中渗透进裂纹内的垢物。

表3 垢物成分分析结果 %

2 综合分析

综合上述分析可知:连接法兰的显微组织满足标准要求,但其硬度和抗拉强度均不满足标准要求,说明标尺导架材料的强度不足。结合压痕试验结果可知,在外力作用下,石墨片会产生裂纹并扩展,但小尺寸石墨片受影响程度较小。当石墨片尺寸较大时,会优先在石墨内部产生微裂纹,对基体产生切割作用。标尺导架基体与法兰之间的倒角较小,在该部位易产生应力集中。标尺导架的受力不均匀,石墨内萌生的裂纹不断扩展,最终导致标尺导架发生开裂。

3 结论与建议

标尺导架开裂的原因是:标尺导架材料强度不足,基体与法兰之间倒角较小,运行中产生应力集中,该处大尺寸石墨片内萌生裂纹并不断扩展,最终导致标尺导架发生开裂。

建议使用单位加大设备进场检验力度,增加设备材料检验工序,保证设备进场合格率。制造单位应不断优化铸造工艺,关注设备原材料的质量。优化结构设计,加大标尺导架基体与连接法兰的过渡圆角半径,减小局部应力集中程度。