孙振祥
（山东天弘化学有限公司 山东东营 257000）
摘要：针对新氢压缩机运行中十字头销断裂情况，分别对十字头销进行材质化学成分分析、着色检验、断口分析、力学性能测试等，运用排除法找出造成断裂的主要原因，为防止类似情况的发生提拱预防借鉴作用。
关键词：十字头销；断裂；原因分析
引言
某炼油厂加氢裂化装置新氢压缩机组采用4MHE（Y5），该压缩机设计参数如下：采用四列三级对称平衡式；吸气压力：一级2.2MPa（G），二级4.9MPa（G），三级9.69MPa（G）；排气压力：一级4.9MPa（G），二级9.69MPa（G），三级17.7MPa（G）；设计排气量：43.9m3/min；电机功率：5200KW。机组在投入运行10个月左右，发现振动幅度加大，经检查发现三级十字头销发生断裂，断裂部位发生于十字头销中部。十字头销外径240mm，内孔60mm，材质选用42CrMoE，表面进行氮化硬化处理。为防止十字头销再次发生断裂事故，本文对其断裂原因进行失效分析。
1断裂原因分析
1.1化学成分分析
十字头销材质设计选用42CrMoE，在断裂十字头销表面附近取样，采用真空直读光谱仪对其进行化学成分定量分析，各主要化学成分含量分析结果与GB/T3077-2015标准规定值进行比较，由表1中对比结果可知，十字头销的元素含量在标准规定正常范围之内。
表1 化学成分分析结果（wt%）
1.2着色检验
对断裂十字头销表面进行着色检验，如图1所示，十字头销表面在活塞杆水平方向有明显断裂的裂纹，上下侧表面无裂纹，说明裂纹的产生与十字头销承受的载荷方向有关。十字头销表面出现与轴线大致成45°倾角的条纹，表明材料内部出现相对滑移，这是因为45°倾角的斜截面上切应力最大，冲击载荷较大的变化导致十字头销应变急剧增加，材料出现屈服现象。
图2 十字头销宏观断口
1.3断口分析
对十字头销断口宏观观察，如图2，可以发现以下疲劳断裂的典型特征：①断裂面大致分为裂纹源、扩展区（光滑区）、瞬时断裂区（粗糙区）三个区域；②断裂面未出现明显的塑性变形；③在扩展区有明显间歇前进的贝壳线和很细小的发射线；④断口局部呈灰黑色，润滑油渗入裂缝过热后残留痕迹。
裂纹扩展区和瞬时断裂区占据了绝大部分，这是引起十字头销断裂的主要因素。裂纹扩展区所占比例较大，沿扩展方向贝壳状线越来越粗，间距也越来越大，表明疲劳循环次数较低；瞬时断裂区相对粗糙，仅为一狭长区域，这表明断裂从始于裂纹源，在交变载荷作用下扩展，有效承载面积逐渐减小，导致应力增加，最后瞬时撕裂。另外在扩展区上，可观察到裂纹扩展过程中，间歇前进的贝壳状线和隐约很细小的发射线，这些都是典型的疲劳破坏宏观断口形貌。
疲劳破坏的断口上有裂纹源，通常呈现两个截然不同的区域，一个是光滑区（疲劳区），另一个是粗粒状区（断裂区），疲劳破坏的典型断口如图3所示。由图2断裂截面可以看出，十字头销断裂截面与疲劳破坏断口形式相符，进一步确定其断裂性质为疲劳断裂。
图3 疲劳破坏断口示意
1.4硬度检测
取样进行拉伸性能（试验方法：GB/T228.1-2010）、冲击性能（试验方法：GB/T229-2007）和布氏硬度试验（试验方法：GB/T231.1-2018）。其中拉伸试验的平行长度名义直径为10mm，冲击试验试样尺寸为55mm×10mm×10mm，布氏硬度试验条件为使用载荷为750Kgf，压头直径为5mm，保载时间为10s。由表2中对比结果可知，十字头销各力学性能满足设计技术要求。
表2 拉伸、冲击性能、布氏硬度试验结果
1.5其他原因分析
因润滑油为经十字头销流向连杆大头瓦，经检查大头瓦正常，无磨损现象，证明润滑油中不存在过多杂质、水分超标等油品质量缺陷，也不存在因油路不畅、泄漏等造成的油压不足，润滑条件未被破坏，润滑油对摩擦副的冷却效果正常，不会因摩擦热积聚导致局部产生过热裂纹。
经从DCS提取工艺操作记录，机组为正常运行状态，不存在带载急停和在非设计工况下运行的情况，排除因工艺参数的突变，造成Ⅲ级活塞力超出额定值，十字头销断裂。提取压缩机工艺介质进行化验分析，确认不含有硫化氢成分，排除十字头销湿硫化氢应力腐蚀开裂的可能性。
新氢压缩机为大中型机组，安装精度要求较高，需要严格控制机组各零部件的配合间隙，以免引起连杆小头瓦受力不均或十字头销窜动，造成局部比压太高或十字头销润滑不良等而损坏十字头销。因时间过长，安装记录丢失，安装不当被作为十字头销断裂重点怀疑原因。
2结论和经验教训
（1）十字头销断裂性质为疲劳断裂。
（2）十字头销断裂件抗拉强度实测值满足图纸设计要求，但比最低要求指标仅高17MPa，强度储备不足。
（3）严格按照安装精度要求重新更换十字头销，设备运行两年多无异常，初步推断十字头销断裂主要原因为安装时机组各零部件的配合间隙不符合设计要求，在交变应力作用下，产生了疲劳断裂。
（4）对于装置生产运行的核心设备，从设备验收、安装、运行都需要做好记录和保存，严格遵照相关规程来操作、检修、维护，加强岗位巡检力度和操作工的培训力度，保证机组长期安全可靠运转。
参考文献：
[1]潘强、韩维涛、徐卫忠等，新氢压缩机十字头销断裂的原因分析及应对措施，压缩机技术，2014（06）
[2]王大成、周海强，氢气压缩机十字头销断裂故障分析，压缩机技术，2003（03）
[3]扈延光、于荣莉、田永江，压缩机十字头销断裂失效分析及预防，材料工程，1997（05）
[4]黄绍硕，高压往复式氢气压缩机十字头销断裂原因分析与对策，炼油技术与工程，2007（03）
作者简介：
孙振祥，男，2009年毕业于烟台海军航空工程学院机械设计制造及其自动化专业，现在山东天弘化学有限公司从事设备管理工作。
论文作者:孙振祥
论文发表刊物:《河南电力》2019年2期
论文发表时间:2019/10/12
标签：字头论文; 断口论文; 压缩机论文; 裂纹论文; 疲劳论文; 原因论文; 机组论文; 《河南电力》2019年2期论文;