（化工过程机械专业论文）往复式压缩机活塞杆断裂失效分析及疲劳寿命估算.pdf

原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明弓| 用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成粟。对本文的研 究馋出重要贡献的个入和集体，均已在文中以唉确方式标明。本入完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：至垒鲨捱翟 期：一! 照一三缪 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，间意学 校保留戴离国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阂和借阕；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、编印或其他复制手段 保存论文和汇编本学链论文。 没有严格按工艺要求进行热处理；( 2 ) 活塞扦枫加工矮量较差，螺 纹处加工耀糙且局部存在原始缺陷；( 3 ) 事故活塞杼冲击韧性偏低。 案例7 【4 7 】：出西焦化集团有限公司的3 d 2 2 ( i i ) 型氮氢气压缩机融2 0 0 2 年 初至2 0 0 2 年7 月先后发生了3 次三级活塞杆断裂事故。三次事故的主要原因是 活塞秆热处理工艺不当、机械加工和安装问题。 案例8 ：2 0 0 3 年l 胃扬予石油化工股份有限公司芳烃厂某加氢裂化装置 高压氢气增压压缩机g b l 0 2 a ，一段活塞杼在活塞连接处突然发生断裂引起撞 缸，造成高压氢气大量外泄。活塞杆断裂的主要原因如下：( 1 ) 活塞杆加工时 未进行调质处理只进行了正火处理，导致活塞杆的综合机械性能低予设计要求； ( 2 ) 高压举烷气沲及其霜阑形成的脱碳屡等氢损伤加速了疲劳断裂过程；( 3 ) 材料中s i 元素含量严重超标。 案铡9 【4 9 1 ：河南审原油困的1 0 台意大利生产的赛福压缩机中有4 台压缩机 故障频繁。2 0 0 5 年3 月停车检修发现l 级活塞杆于顶端紧围螺纹联接处断裂， 分析其原因主要有：( 1 ) 螺纹加工时刀痕较深，螺纹区形成较大的液力集中； ( 2 ) 飞轮的安装不正确，弓| 起附加惯性力与附加摸性力矩。 案捌l o 御l ：2 0 0 6 年3 月，上海化学工业嚣发展有限公司的加氢压缩机在 运行一年后突然发生二级活塞杆断裂，造成紧急停车事故。事故原因是材料中 夹杂物缺陷及螺纹处存在原始微裂纹。 1 3 2 活塞抨疲劳研究现状 盘予活塞杆断裂事故频繁发生，许多学者对其疲劳闯题进行了研竞。 1 9 9 4 年，涯德由 5 1 1 对往复式压缩枫活塞杆断裂翡预防措施进行了研究，根 据活塞抒工作条僚和活塞轩断裂实例，列毖了可能产生断裂戆诸顼爨因及篙攀 原因分析，阉时，从枣季料质量，设计，加工，装配，检修，维护保养及意外事 故等方面提漤了预防活塞杆断裂的措施。 2 0 0 0 年，赵娥君、虞岩贵阳对活塞杆的螺纹部位的强度及疲劳寿命进行了 计算、分褥，诀为螺纹撮部匮惫半径极大的影响了活塞耔豁疲劳寿禽，半径增 大，疲劳寿命大大提高；半径减小，疲劳寿命缡短。当螺纹根郝圆角半径分别 取1 0 r a m 及0 3 m m 时，疲劳寿命相差约3 0 倍。当螺纹掇部存在原始缺陷时， 将极大的降低其疲劳寿命。 6 第l 霉绪论 黼囊黼一ii l l l _ 2 0 0 3 年，杨波等酗对茬复式压缩机活塞杼断裂麓测及联锁系统进行7 研 究，通过压缩枫的热力、动力特性及压缩规机组振动的详细计算，以及压缩机 活塞杆断裂仿真模拟计算，为压缩机活塞杆断裂的监测与报警提供了可靠的理 论依据。 2 0 0 8 年，马波等f 辩】对往复式压缩帆活塞杆颧裂早期预警技术进行了研究， 认为采鲻声发射技术队活塞秆断裂事故进行早期预警是可行的，以声发射幅度 作为监测参数，无论从计算效率还是有无裂纹的敏感程度方面都优于其他声发 射参数，并且通过声发射计数和能量可以预测活塞杆寿命。 2 0 1 0 年，李玲等【5 习对直升机起落架活塞杆的疲劳寿命进行了研究，对活塞 杆进行了三维建模分析，对危险状态下活塞杆的应力或变进行了计算，采用名 义戏力法估算了不同状况下活塞杆憋疲劳寿命。 1 4 问题的提出 综上_ 所述，从人们认识到疲劳现象以来，疲劳问题受到了许多学者的广泛 关注。围绕着各式各样的疲劳问题，研究人员作了大量的试验及理论分析工作。 特别是那些工程实际中的关键问题，这些问题往往是人们研究最多最深入的。 活塞枰的疲劳逮题作为过程工监生产中的一个普遍性闻题，也有许多学者对其 原因视理等进行了广泛研究，疆翦尚存在的闽题主要包括： ( 1 ) 关于活塞杆的晕期突发疲劳断裂如何建立有效的在役预警枧制和无接 检测机制，还需要进一步的探究。 ( 2 ) 现有的疲劳裂纹萌生与扩展机理尚不能从掇本上解释活塞秆疲劳短裂 纹的行为。对疲劳短裂纹鑫奄群体演化行为有待于避一步的研宠和探讨。 ( 3 ) 关予材料、载荷等与活塞括使用寿命的潜在关系，典型的疲势案例能 给出大量的试验数据及分析基础，并能绘制造和使用提供相当大的扁示，帮助 避兔事故的反复发生，但是这方面尚未有详尽的统计、分析。 ( 4 ) 针对活塞杆的失效分析不程少数，但对于活塞杆疲劳寿命预测模型的 讨论、验证及对活塞杼剩余寿命豹 杏算较为缺乏。 ( 5 ) 疆煎活塞杆制造中的常用材料如4 2 c r m o 、3 8 c r m o a i 等的热处理及 其他工艺对其性能影响，材料中夹杂及加工中粗糙度、精度对其性能影响，尚 未作出鬣化的描述。 ? 山东大学硕士学位论文 曼寰蔓曼曼舅曼! 蔓i 一。i 。一。i i 篡黑糍豳舞黑黑舅嘲墨墨墨黑目舞 ( 6 ) 预测疲劳裂纹形成寿命的方法很多，但是仍有很多不足，如裂纹形成 寿命的定义，反映实际损伤历程的疲劳损伤累积理论，循环应力应变曲线的描 述等，最重要的是需要深入了解疲劳裂纹形成阶段的损伤机理。 1 5 主要研究内容 本研究课题以山东大学与山东华鲁恒升集团有限公司、中化平原化工有限 公司、阳煤集团淄博齐鲁第一化肥有限公司、兖矿峄山化工有限公司等多家企 业共同合作研究项目为依托，在固体力学、材料力学、疲劳累积损伤理论基础 上进行往复式压缩机活塞杆疲劳断裂原因分析及疲劳寿命预测。 针对常出现的活塞杆疲劳断裂事故，本文中的主要研究内容如下： ( 1 ) 以各疲劳断裂活塞杆为研究对象，分析其断裂原因：对其材料各项力 学性能进行分析，得出其常规力学性能与疲劳性能的关系；验证4 2 c r m o 及 3 8 c r m o a ! 钢无损检测性能与其力学性能的关系，为无损检测估算疲劳寿命提 供支持。 ( 2 ) 分析活塞杆在往复式压缩机运行过程中的受力状况及表面状态和活塞 杆尺寸对其应力集中程度的影响；根据往复式压缩机结构、活塞杆工作及受载 特点，对其危险部位建立三维实体模型，进行应力分析。 ( 3 ) 总结疲劳寿命预测基本理论，提出适用予往复式压缩机活塞杆的疲劳 寿命预测模型；分析几何尺寸、表面处理、应力集中、材料缺陷损伤等因素对 疲劳寿命的影响，为活塞杆疲劳寿命预测提供理论依据。 ( 4 ) 对单一循环载荷下疲劳寿命进行计算，总结疲劳累积损伤的基本理论， 在实际载荷谱下进行活塞杼的疲劳寿命计算。采用名义应力法和m i n e r 线性累 积损伤法则相结合的方法对于工程中发生高周疲劳破坏的压缩机活塞杆部件的 疲劳寿命预测是适用和有效的。 第2 寒适露予涯塞枵疲势麓基本理论 置嘲霸麓嘲墨黼黼嘲焉瞄嘲ii 囊曩 第2 章适于活塞杆疲劳的基本理论 本章主要讨论适用于活塞杆疲劳的纂本理论，包括活塞杆疲劳的机理，活 塞杆疲劳的分析方法，影响活塞杆疲劳的因素，活塞杆的疲劳损伤理论。 2 。董活塞杆疲劳机理 2 1 。l 活塞杆裂纹萌生机理 疲劳裂纹的萌生硬显受到誊| 料细观组织的影响，由予细观组织的不同，疲 劳短裂纹的萌生方式也栩瘦不同1 5 甜。 在活塞杆常用钢如4 2 c r m o 、3 8 c r m o a i 中，这些材料的屈服强度较高，只 有在很高的应力幅下方会发生滑移，但是由于材料中的一些粗大爽杂物帮第二 楣粒子的存在，往往导致较高的疲力集中，使得其在较低应力水平熬交变应力 作用下可能会与基体界面发生分离、萌生短裂纹；丽疲劳嚣裂现象对应力集中 很敏感，第二相组织或者夹杂物与基体晶体结构不闻、塑性不同、拉伸时产生 的变形也不可能一致，多数第二相组织或者夹杂物会阻止基体塑性变形，在其 周露产生较高斡应力集中，著应力超过了界面的强度极限，容易导致疲劳短裂 纹在此处萌生，蕊且第二相组织或者夹杂物一般本身较脆或者较磺，容易产生 解理断裂f 57 1 。 2 1 2 活塞杆疲劳裂纹扩展桃理 2 1 2 1 活塞杆疲劳短裂纹扩展机理 对于疲劳短裂纹的扩展的研究中，王赞笺等【5 8 稍1 对活塞杆常用钢4 2 c r m o 在不同瘟力魄下的三点弯曲缺弱试件的短裂纹扩展规律进行了大爨的试验工 佟，得浅了相应的短裂纹扩展速率。 i g n = 1 9 。9 6 4 5 7 1 9 a r ( 震= o 。1 ) ( 2 - 1 ) l g n = 1 9 。2 7 - 4 。5 7 l g a r ( r = 0 。3 )( 2 - 2 ) 2 。l 。2 2 活塞杆疲劳长裂纹扩展机理 对于轴类疲劳长裂纹扩展问遴的研究中，大部分是按照p a r i s 公式进行计 算的。 9 山东大学硕士学位论文 量曼皇墨墨量置赛曼蔓墨黑寰篁煮黑巢燃黑嬲篡寡量舅皇爱皇皇墨墨皇舅皇曼墨墨墨曼墨墨置il i n , , 曼 刘云山等【6 1 1 考察了拉伸作用下不同类型表露裂纹模型廒力强度因子对轴 疲劳长裂纹扩展寿命的影响，认为在计算具有表面裂纹轴类构件的疲劳寿命时， 把裂纹处理为受深度比、纵横比两个参数控制的椭凰裂纹比处理为仅受深度比 控制的圆弧裂纹和直裂纹更加合理。在计算过程中，针对断裂韧度、裂纹扩展 速率参数等的不确定性，按照它们各自的随机分布特征，应用蒙特卡洛法分别 对其进行抽样，采用p a r i s 公式计算了轴寿命。 赵永翔等( 6 2 】基于l z 5 0 车轴裂纹扩展数据分析，提出描述长裂纹扩展的新 模型。新模型包含门槛值和断裂韧度，并考虑循环比效应，可有效描述门槛值 附近和高应力强度因子范围长裂纹的扩展行为及其趋于断裂点的行为；该模型 克服了现有p a r i s e r d o g a n 模型不能描述门槛值附近和高应力强度因子范围， f o r m a n k e a m e y e n g l e 模型不能描述门槛值附近，以及e l b e r 方程不能描述高应 力强度因子范围疲劳裂纹扩展规律的缺陷。 2 。2 活塞杆疲劳分析方法 现在广泛使用的疲劳分析方法有以下几种：名义应力法、局部应力应变法、 应力场强法1 6 3 i 。活塞杆疲劳问题属于高周疲劳问题，应用名义应力法进行疲劳 分析效果较好。 名义应力法以名义应力为基本分析参数，其估算步骤如图2 1 所示。 i 材料的 载荷谱 s 埘拯线 确定结构的 危险部使的 危险部位 危险部位 名义应力 疲劳寿命 结构的 疲劳累积 有限元分析 损伤理论 图2 1 名义应力法疲劳寿命估算的步骤 籀2 牵逑用予活塞秆藏劳的藜本理论 名义艨力法蹩鼗早澎成静疲势分析方法，它跋材料或嚣攀粹鹣辩赫线为 基确，对照试件或者结构疲劳危险部链的威力集中系数和名义应力，结合疲劳 累积损伤理论，计算疲劳寿命。名义应力法假定：对于桷阔材料制成的任意构 件，疑要应力集中系数棚阁，载赫谱楣磷，则它们的寿命相圆。此法中名义应 力和琏力集中系数为控制参数。 这秸方法对裂纹韵产生帮扩展不翻馘嘴确的隰分，畿够预测铡发生较大的 损失或者破坏为止的总寿命。当然，名义应力法也能够对于丰芎料在系捌循环 载萄作霸下备部饿的损伤度及剩余寿命进行评价。 2 。3 影响活塞杆疲劳寿命的因素 影噙活塞辑疲劳寿命的因素魑纳起来如袭2 。l 所示1 3 l 】。袭2 2 表示影响疲 劳强度的各个因素在 3 。l 所示1 起活塞杼失效案例审酶作褥祷沉。 袭2 一l 影响活塞杼疲势强度的因素 表2 艺活塞耔失效案捌审影螭疲势强度困囊的爨搏佟磁 影响疲劳强凌瓣阂豢案铡审疲劳羝裂变簧鬃灏与影穗疲努强度戆嚣紊的对应 王佟条件 零件状态 材料本矮 案例2 、5 、6 、8 、l o 案例l 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、l o 案铡3 、4 、5 、7 、9 嘲表2 2 中褥得。活塞杼疲劳失效问题中，工俸条件和专孝料本鹱对活塞杆 奢命均肖影响，特别是载药情况、健学成势、金栩组织及零耋料悫部缺陷等，磷 零转状态始缺敬、尺寸效藏、热处理及袭诼糯糙等对活塞抒寿禽影酶最大。 2 3 1 庭力集中的影响 在零释麴截巍凡俺形状突然变纯楚，弱部威力邈远大予名义疵力，这种现 。，由东大学硕士学位论文。 象称之为应力集中【翻。活塞杆的螺纹连接部位及挡肩等截面变化部位均存在应 力集中。 应力集中对疲劳强度的降低用疲劳缺v i 系数来表征拍1 ，即： 尼：堕( 2 3 ) 1 足l 2 3 2 尺寸的影响 零件的尺寸对疲劳强度也有较大的影响，这是同应力梯度有关的。一般情 况下活塞杆的疲劳强度隧其尺寸的增大而降低【3 1 l 。 随羲活塞杆尺寸的增加，其材料机械性能会降低，应力梯度会变小，且裂 纹损伤源增加，导致疲劳破坏的概率提高。 尺寸大小对疲劳强度的影响一般可用尺寸系数s 来表示，即： g ：监( 2 。4 ) 足i 2 3 3 表面状态的影响 疲劳裂纹常常从表面开始，因为最大应力一般发生在表面层。另外表面层 的缺陷也往往最多，所以零件的表面状态对疲劳强度会有显著的影响【3 。 活塞杆的表面状况对疲劳强度的影响用表面系数表示，表面系数声是具 有某种加工表面的标准光滑试样和抛光的标准光滑试样疲劳极限之比【3 ，即： = 鲁 沼5 ， 2 3 4 载荷频率的影响 载荷频率对疲劳强度的影响，与试样处在最大载萄下的时间有关。由于塑 性变形落后于应力，最大应力作用的时间越长，强化越强烈。另外，提高频率 相当于提高加载速率，加载速率高于裂纹扩展速率时使裂纹来不及扩展，从而 使其疲劳强度与寿命提高。加载频率对疲劳强度的影响与外加应力水平有关， 应力水平越高，频率的影响愈大。 在室温下的加载频率，一般对活塞杆的疲劳极限没有明显的影响f 6 粥。 1 2 第2 霉逶鼹予溪寨转菠舅鞠蒸本理论 2 3 。5 热处理的影璃 零件麴热处理方法及工艺避翟对其疲劳强攫商影响。獗究摆邋】，零 譬从 离湿f 迅速冷却，其裘嚣可以形成残余压应力；通过热处瑗，当缺瓣处有残余 矮应力时霹使疲势强发提赢约3 0 ，商当缺融处存在残挝瘦力时反瓶会降低约 3 0 。但实践又告诉我们，有时过快的冷却淬火会使构件表面产生裂纹。 窥竟热处理对具体材料、具体形状秽尺寸的活塞杆如何影响，嚣要通过实 践不鳜总结经验。 2 。3 。6 材糕性能蠹孽影鹅 在室溢秘空气介鹱下，活塞籽疲劳较隈怒；与抗挝强度蚝之闻霄较好煞辎 关性，因此，当缺乏现成的试验数据，且没有条待进行疲势试验时，可以赉 近儆估算怒。 6 3 1 。 郑州机械研究所据对5 0 多神国产钢试验数据的统计分析，对予碳索结构 钢、含垒缝构锅帮不锈钢，攮荐翔下关系式1 6 3 l ： 跫l = 0 4 7 瓦 ( 2 6 ) 2 。3 。平均痤宠熊影瀚 拉姊平均应力健疲劳强度帮寿命降低，整缩平均建力使痰势强度翻淹禽增 加。平均成力的影响常墨g e r b e r 撼物线、g o o d m a n 直线鞠s o d e r b e r g 壹线等进 行修疆f 6 朝。 ( 1 ) g e r b e r 抛物线 - a 2 r _ g 。；( 1 - 对 沼7 ) ( 2 ) g o o d m a n 囊线 等咄卜惫3 沼鼬 ( 3 ) s o d e r b e r g 痰线 等砥卜惫) ( 2 。9 ) 山东大学硕士学位论文 一 2 3 8 载荷类型的影响 零件受到的外载荷有拉压、弯、扭三种类型。而活塞杆受的载荷主要为往 复拉压载荷。 载荷类型对活塞杆疲劳强度的影响用载荷类型因子c l 来描述。q 定义拉 压载荷下的疲劳强度与旋转弯曲疲劳强度的比值f 6 3 1 。 2 4 疲劳损伤理论 疲劳研究中的损伤是指在疲劳初期材料内的细微结构变化及其之后的裂纹 形成和扩展。当材料承受循环应力时，每一个循环都使材料产生一定的损失， 这种损失是可以累积的。疲劳过程可以看出是损伤趋于一个临界值的累积过程， 也可以看浅是材料固有寿命的消耗过程【6 3 】。 对于等幅加载，一般认为每一循环所造成的平均损失为1 n ，n 为该载荷 作用下材料破坏前所经历的总循环数，则，次循环所引起的损失为，2 。对于 变幅和随机加载，其疲劳破坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损失逐渐累积 的结果。目前已提出的疲劳累积损伤准则可分为四大类：线性疲劳累积损伤理 论、双线性疲劳累积损伤理论、非线性疲劳累积损伤理论及其他疲劳累积损伤 理论。由于线性疲劳累积损伤理论运算简便且精度可以满足本文要求，本文中 采用线性疲劳累积损伤理论中的m i n e r 法则和修正的m i n e r 法则进行损伤计算。 2 4 1m i n e r 法剐 p a l m g r e n 于1 9 4 2 年在估算滚动轴承的寿命时，首先提出了疲劳累积是线 性的假设。其后m i n e r 于1 9 4 5 年又将此理论公式化，形成了著名的 p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法则，此理论形式简单，使用方便，因此在工程 中应用广泛。 m i n e r 法则有以下理论前提： ( 1 ) 任意等幅疲劳加载下，材料在每一威力循环损伤相等，损伤累积到临 界值，疲劳失效发生。 ( 2 ) 不同的等鞭及交幅疲劳加载下，材料最终破坏的冁雾损伤相等。 ( 3 ) 变幅疲劳加载下，材料各级应力循环造成的损伤与应力等级前后顾序 无关。 1 4 第2 章适用予涟塞耔疲劈鲍基本理论 假设试祥吸收的麓量达刘极限德形黠产生疲劳破坏，破坏蓠总循环数为敲 在某一循环次数嚣l 时吸收能避为渺l ，煲l j 有 6 3 1 ： 璺：枭( 2 - 1 0 ) | 一 、 wn 若加载历史由焉，恐，置这样的一个不同应力水平构成，各威力下的 疲劳寿命依次是l ，2 ，m ，各应力水平下的循环次数依次为，t ，胛2 ， f m 则损失d = 哆j = 1 时试样发生疲劳破坏。 f = l 2 4 2 修正的m i n e r 法刘 当临界损伤和改为一个不等于l 的其倦常数时，称为修正m i n e r 法雕，表 达式如下1 6 3 1 ： 2 5 本章小结 ， p = 臻愚= e ( 2 11 ) f 瓣l 主要介绍了适用于活塞杼疲劳的各方丽理论，认为活塞杆疲劳裂纹主要在 第二楣缀织或夹杂物位置萌生；活塞轩短裂纹扩展遵循妇科= 群a ，面长裂 纹扩展遵循p a r i s 公式；名义应力法较适用予活塞杼疲劳寿命髂算；工作条件 和材料本质对活塞杼寿命均有较大影响，特别是载葡频率、载蒋类型、平均应 力、化学成分、材料性能、金栩组织及材料内部缺陷等，而零件状态如缺口、 尺寸效应、热处理及表舔状态等闻题对活塞杆寿命影响最大；m i n e r 线性疲劳 损伤璞论及修正的m i n e r 法则透露于活塞籽疲劳寿命镳冀。 楚3 颦颛裂活塞栝麴失效分毫蓐 删i i l li i l l - - i i,、i i i i i i i ! l l p lq li l l l 第3 章断裂活褰杆的失效分析 零察主要是对活塞辑的失效原因进行分析，给出了活塞秆| l 冬基本失效祷况， 讨论了试骏熬方案、试验麴攘备遘糕，分耨了试验携结果。 3 。重试样来源 文率遴行失效分析麴断裂灞塞杆基本情况如下： ( 1 ) 所选三缀断裂活塞轩a 、转、e 为出东华蛰健升集邈有限公谜蹶用酶 6 m 3 2 2 2 5 3 1 4 型氮氢气压缩机郝件，此题缩机是六捌、m 型、对置乎筏式媛缭 机，活塞力达3 2 吨，年产3 万吨，怒单机合戏氨装置设备，排气爨2 2 5 m 3 m i n ， 瓣气压力3 1 4 m p a 。断裂活塞梧d 韵兖矿集溺峄出化工有限公蔼提供，姥活塞 杆资料不全，主要用于性能分析。 ( 2 ) 断裂活塞轷a 位于5 # 6 m 3 2 压缩机麟段处，由沈粥石化气体压缩枫囊 黢公霹生产，予2 0 0 8 年5 足2 9 酗援黑至2 0 0 9 年1 月2 梦圈发现断裂，断裂发 生在活塞扦与活寨配合轴瘸处，如瀚3 1 所示，使用属期为8 个月。 ( 3 ) 颧裂活塞梧b 为l 男2 9 爨誊换断裂潘塞秆a 酶活塞杼，于2 月4 醚 霉次在阍位置断裂。 ( 4 ) 糕裂活塞杼c 为6 # 6 m 3 2 压缩机四段的活塞杆，淘上海薤缩枕厂原件， 2 0 0 6 年l o 层8 嚣投淆予2 # 6 m 3 2 压缩视，2 0 0 7 年l o 月1 2 园因背母松动拆卸 后着色探伤备霸，予2 0 0 8 车5 月2 6 磊授用到6 襻聪缩祝，2 0 0 9 年1 月3 i 酲活 塞抒薮裂，断裂发生在嚣段活塞抒轴侧第一轴肩处，如耀3 2 掰累，活塞耔使 用时闻 9 个月左右。四段活塞括在6 m 3 2 鹾缨枫中的袋篷如溪3 3 蕊示。 袭3 13 搬断裂活塞褥罄本辚况 山东大学硕士学位论文 图3 1 断裂活塞杆a 、b 断裂位置图3 2 断裂活塞杆c 断裂位置 图3 - 36 m 3 2 型氮氧气压缩机示意图 3 2 试验方案 对于活塞杆的疲劳失效分析，试验指导思想及试验方案如下： ( 1 ) 宏观观测及扫描电镜观测活塞杆断口。疲劳断口是疲劳断裂过程中形 成的一种匹配的表面。进行宏观分析断口及扫描电镜微观分析断口可以了解活 塞杆断裂的一些基本信息，如活塞杆材料本身是否存在缺陷，断裂部位是否存 在应力集中，寻找活塞杆疲劳断裂的疲劳源1 6 4 。 ( 2 ) 取样试验活塞杆力学性能。材料的疲劳性能与材料的静力学性能是有 一定联系的，材料力学性能决定了活塞杆使用性能同时也影响了活塞杆的疲劳 寿命。测试材料力学性能，并与标准规定值比较，从而判定材料是否符合制造 标准，推断其疲劳性能优劣。 ( 3 ) 取样试验活塞杆硬度性能。硬度和强度在冶金和机械制件产品生产过 程以及最终产品检验中是两个极为重要的基本指标，人们很早就注意寻求硬度 与强度值之间的关系65 1 。g b tl1 7 2 一1 9 9 9 黑色金属硬度及强度换算值1 6 6 中 1 8 絷3 章断裂活塞杆的失效分析 ! , ii l r l l l l li i i l l l i i i i i 曩_ i 就提到了材料硬艘发强度的定换算标准。对活塞栉材料进行试验，比较所得 硬度值及强度傻，分析两者的对疵关系，放而得出无损测量的硬度、力学性能 与疲劳性能之间的经验关系，为无损检测、估算活塞杆疲劳寿命创造条件。 ( 4 ) 取样测试活塞杆化学成分。材料的成分、组织结构与专季料性能三者关 系紧密。力学性能是具有一定化学藏分和组织结构材料的外部表糯，而材料化 学组成、组织结构是决定其力学性熊的根本因素。合金的不同组分不但反映对 材料性能豹影响，还体现了对其工艺性的影响。材料的化学组成、相结构特征 及性能指标赢接影响材料的断裂失效模式。除希望的合佥组分外，要确保不存 在有害元素，如：氢、氧、氮、硫、磷等，这些元素熬存在影响活塞杆材料的 冶金质量，丽时也影响活寨杆的各项力学性黥指标和使用性能。 ( 5 ) 测量活塞杆断裂处实际尺寸。活塞杼断裂部位的实际尺寸是非常关键 的参数，对活塞括断裂处的应力集中程疫及活塞杆的疲劳寿命均有影响。 ( 6 ) 测量活塞枵表面粗糙度。表匿粗糙度在材料表褥以微观的峰和谷的形 式存在，在一定程度上可以影响材料的滑移和疲劳裂纹荫生1 2 l 。 3 3 试验准备 3 3 1 试验取样方法 试验中借助线切謇l 方法，从断裂的活塞杆上切取拉伸、硬度、成分测试等 试撵。下蟊以断裂活塞杆a 为示例描述取样过程( 图3 4 ) ，其他活塞杆取试样 的方法及位置与断裂活塞杆a 基本栩同。具体取样步骤如下： ( 1 ) 断裂活塞抒a 的整体尺寸为梦1 7 0 x 4 5 。活塞轩断面是溺箍，为了防 止切样时断面被破坏，涤图3 4 所示的红色虚线进行切割。所得左侧a 。试样簿 度约3 5 m m ，主要用于取样进行撞伸性能测试、化学成分测试及硬度测试；而 右侧a 2 试样为活塞杼断门，厚度约1 0 m m ，主要用于观测表面断豳，测爨断口 处具体尺寸等。 ( 2 ) 断裂活塞杆a 取电镜观测断羽试样。活塞秆断面尺寸较大题扫描电 镜中观测台面积有限，所以利用线切密| j 方法沿圈3 5 所示红色虚线切割，取活 塞杆断e l1 4 试样，观测其微观断髓。 1 9 山东大学硕士学位论文 图3 1 4 断裂活塞杆a 取样示意图图3 5 断裂活塞杆a 断口取电镜观测试样 ( 3 ) 断裂活塞杆a 取力学性能测试试样。依照g b t2 9 7 5 1 9 9 8 钢及钢 产品力学性能试验取样位置及试样制备 6 7 1 在a 1 试样的圆截面l 4 半径位置取 得拉伸试样，按照g b t2 2 8 1 2 0 1 0 金属材料室温拉伸试验方法1 6 8 1 中规定 选取试样尺寸：考虑到材料尺寸所限( 轴向最长处不到4 0 m m ) ，选择标准中最 小尺寸的圆截面标准试样，拉伸试样形状如文献 6 8 】中图1 3 所示，所取拉伸试 样具体尺寸见表3 2 ，由于材料尺寸有限，对4 根断裂活塞杆分别只取了3 根 共1 2 根拉伸试样进行试验，断裂活塞杆b 、c 、d 取试样尺寸、位置与a 相同。 按照g b t2 2 9 2 0 0 7 金属材料夏比摆锤冲击试验方法 6 9 1 规定选取冲击 试样：标准规定试样尺寸为1 0 1 0 5 5 m m ，断裂活塞杆a 、b 、c 的轴向长度均 小于标准规定的长度5 5 m m ，所以无法取得冲击试样：而断裂活塞杆d 有足够 材料，在其圆截面1 4 半径位置取冲击试样，共取3 根试样。 表3 2 标准规定及试验选取的圆截面拉伸试样尺寸( k = - 5 6 5 ) ( 4 ) 断裂活塞杆a 取硬度测试试样。取样时尽量保证不破坏活塞杆断口， 所以在a i 试样上取样，由圆心至表面取宽度约4 0 m m 的矩形试样。在此试样 上测量活塞杆截面，由内至外的布氏硬度值，并分析其变化规律。 ( 5 ) 断裂活塞杆a 取化学成分测试试样。活塞杆化学成分测试试样无特 别的取样位置要求，在a 1 试样剩余材料上取一块3 0 x 3 0 x 1 0 m m 的试样测其化学 2 0 第3 章断裂活塞杆的失效分析 成分。 ( 6 ) 断裂活塞杆a 取试样测量断裂处的实际尺寸。在取样过程中保证未 破坏其原始尺寸的情况下，直接在活塞杆断口试样a 2 上测量。 ( 7 ) 断裂活塞杆a 表面粗糙度测试。同样在保证机械加工过程中活塞杆 a 表面未被破坏的情况下，直接在活塞杆断口试样a 2 上测量。 3 3 2 试验观测方法 ( 1 ) 扫描电镜观测 扫描电子显微镜有着较高的视场深度，在低倍放大观察方面具有一定优势， 适用于活塞杆断口的观测。试验中对断裂活塞杆a 、b 、c 、d 的断口分别进行 了观测，扫描电镜如图3 - 6 所示。 ( 2 ) 力学性能试验 活塞杆拉伸试验是在轴向拉伸载荷下，测定活塞杆的一系列强度指标和塑 性指标，试验中对断裂活塞杆a 、b 、c 、d 分别进行了拉伸试验，拉伸试验机 如图3 7 所示。活塞杆冲击试验是将规定几何形状的活塞杆缺口试样置于试验 机两支座之间时，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定活塞杆的 冲击吸收能量，试验中对断裂活塞杆d 进行了冲击试验，冲击试验机如图3 8 所示。 图3 - 6 扫描电子显微镜图3 7 拉伸试验机 ( 3 ) 成分分析 活塞杆的化学成分测试采用的是光谱分析仪。光谱分析是根据物质的光谱 来鉴别物质并确定它的化学组成和相对含量。试验中对断裂活塞杆a 、b 、c 、 山东省特种设备拎验研究院的中孝k 博f 二、采雪参与u 厂断r 打描也镜观测f ：作。 2 l 山东大学硕士学位论文 d 分别进行了化学成分分析，所用的光谱分析仪如图3 - 9 所示。 勤 _ _ - i l f j 斟 图3 - 8 冲击试验机 图3 - 9 光谱分析仪 ( 4 ) 硬度测量 材料硬度的测试方法很多，在常用测试方法中考虑到活塞杆硬度试验结果 需要与现场检测的结果相同，选择布氏硬度计测量活塞杆的布氏硬度。试验中 分别对4 根活塞杆进行了硬度测试，所用的布氏硬度计如图3 1 0 所示。 ( 5 ) 断裂处尺寸测量 活塞杆断裂处实际尺寸直接影响到了材料的疲劳寿命，或者说文中的寿命 估算也需要精确的测量活塞杆断裂处的实际尺寸。考虑到试验方法需要与现场 检测方法相同，选择便携式三坐标测量仪进行测量。试验中测量了断裂活塞杆 a 、b 、c 的断裂处尺寸 ，所用便携式三坐标测量仪如图3 1 l 所示。 ( 6 ) 粗糙度测量 表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。活塞杆表面 粗糙度越大，则表面越粗糙，疲劳裂纹越容易萌生。考虑到试验方法需要与现 场检测方法相同，选择便携式粗糙度测量仪进行测量。试验中测量了断裂活塞 杆a 、b 、c 的表面粗糙度，所用粗糙度测量仪如图3 1 2 所示。 图3 一1 0 布氏硬度计 辕 簿f 一嘭二 图3 1 2 粗糙度测量仪 ；山东省特种设备检验研究院的宋雪参与了活塞杆化学成分测试工作。 3 山东人学的贾文鸱、中国石油大学( 华东) 的宋帅参与了活塞杆断裂位置尺寸测量工作。 第3 章断裂活塞杆的失效分析 3 4 试验及结果分析 3 4 1 宏观断口分析 活塞杆宏观断口分析主要观察了断裂活塞杆a 、b ，而断裂活塞杆c 断口 表面由于厂家保存不善、人为破坏痕迹严重，无法观察出有用的信息。断裂活 塞杆a 、b 、c 的宏观断口照片如图3 1 3 所示。 ( a ) 断裂活塞轩a ( b ) 断裂活塞杆b ( c ) 断裂活塞轩c 图3 1 3 断裂活寨杆断i j 宏观形貌 由于活塞杆长期在交变载荷下工作，而其载荷水平低于引发总体或宏观塑 性变形所需的值，且断口表面没有明显塑性变形，基本可以判定活塞杆为疲劳 断裂。在肉眼及体式显微镜下观察，活塞杆在轴向拉压应力作用下，疲劳源应 该靠近表面【7 0 】，但是由于断裂活塞杆a 、b 断口表面氧化的原因并没有找到明 托的疲劳源。观察发现断裂活塞杆a 左侧非常光滑表明此处扩展速度较快，而 右侧较为粗糙，疲劳源在右侧，如图3 1 3 ( a ) 所示。同样断裂活塞杆b 右侧应该 为疲劳源所在，见图3 13 ( b ) 所示。观察断口可以看出断裂活塞杆a 、b 左侧瞬 山东大学硕士学位论文 断区面积都比较大，因此其断裂处应力较大，而疲劳源两侧裂纹扩展较快【7 0 1 。 另外还发现断裂活塞杆a 疲劳源处有人为的切割痕迹，可能是厂家切割用于试 验分析，影响了观测效果。 3 4 2 微观扫描电镜断口分析 活塞杆扫描电镜断口分析中观测了断裂活塞杆a 、b 、d 的断口，扫描电 镜观测断口照片如下图3 14 所示。断裂活塞杆c 的断口人为破坏痕迹严重，电 镜观测无法得出有用的结果。 ( a ) 断裂活塞杆a 断口萌生区( b ) 断裂活塞杆b 断口萌生区 ( c ) 断裂活塞杆d 断口萌生区 ( d ) 断裂活塞杆d 断口瞬断区 图3 一1 4 断裂活塞杆断r 微观扫描电镜照片 虽然通常情况下疲劳波纹会形成条纹状，但是在许多情况下它们并不形成 条纹或者极难看到【7 ，而且这几根断裂活塞杆由于存放时间较长、保存不善， 活塞杆的表面氧化较为严重，在电镜观测中未能发现明显的疲劳源。红色箭头 表示裂纹扩展方向。疲劳裂纹扩展的最终阶段为过载断裂，通常是突发地灾难 性的，并且一般很少伴有显著的塑性变形，其断口表面的形貌一般为空洞聚集， 2 4 第3 耄断裂活寒秆的失效分拆 蔓_ _ i l l l l ! l ii l l! i l l li i i i i l li _ 囊瞄黑蕾囊麓_ _ 蠢 如蹦3 1 4 ( d ) 所示。 3 。4 。3 材料性能试验 活塞杆性能试验中测试了断裂活塞杆a 、b 、c 、d 的撞l 枣性能及断裂活塞 杆d 的冲击性能。断裂活塞杼a 、b 、c 、d 的拉伸试验结暴见下袭3 3 ，断裂 活塞杆d 的冲击性能见袭3 - 4 。 襄3 3 鞭裂活塞扦a 、b 、c 、d 的拉镎试验缭聚 活塞秆a 嗣d 的材料为4 2 c r m o 钢，活塞耔c 的材料为3 8 c r m o a i 钢，活 塞杆d 瓣材料来知，化学成分测试巾发现活塞杆黔与4 2 c r m o 钢成分楣近。 g b t3 0 7 7 。1 9 9 9 合金结构钢1 7 2 1 中规定4 2 c r m o 钢的抗拉强度为1 0 8 0 m p a ， 冲击吸收能爨为6 3 j ：3 8 c r m o a ! 钢的抗撞强度为9 8 0 m p a ，冲击吸收能壁为7 1 j 。 康试验结聚可知圜撤活塞杆的拉伸饿能均不能达到标准规定，d 活寨杆测得的 ，。山东大学矮土学位论文 。 冲击麓量也远远低于标准规定。静力学性能与疲劳性能虽然意义不相同，但鼹 者之间有着相当密切的关系，许多学者也对其中的规律做出了探索，可j 以认为 所用活塞杆的静力学性能不合格应该是活塞杆疲劳断裂的一个十分重要的原 因。 表3 4 断裂活塞杆d 冲击试验结果 试样编号k v 2 j l 2 3 均值 1 6 3 3 1 6 1 2 1 7 。7 2 1 6 。7 2 3 4 。4 材料硬度试验 活塞杆硬度性能试验中测试了断裂活塞杆a 、b 、c 、d 的布氏硬度。硬度 测试试验结果见表3 5 至表3 8 。表中试验点l 为活塞杆最近表面侧，随编号的 增大，试验点逐渐靠近杆中心。如la 、i b 、i c 代表在活塞杆近表面处三个不同 试验点，均值表示这三个试验点硬度平均值。 表3 5 断裂活蹇轩a 硬度测试结果 第3 零断裂活塞转的失效分毫跨 _ 嘣囊嘲一i i ii ii i li l l 轰3 - 6 灏襞活塞样8 硬度测试绥聚 试验点硬度 试验点硬度试验点硬度均值 编号 h b w 编号 h b w编弩h b wh b w l a2 2 2 。2 2 2 a2 2 3 4 9 3 a2 2 1 2 2 4 a2 2 8 。6 5 5 a2 2 9 。1 2 6 a2 3 1 2 2 7 a2 3 0 8 8 l b2 8 。1 3 2 b2 1 8 6 8 3 b2 1 7 2 8 4 b2 2 0 。9 0 5 b2 2 l 。3 4 6 b2 2 4 。5 2 7 b2 2 2 4 7 l c2 l8 。3 92 1 9 。5 8 2 e 3 e 4 e 5 c 6 e 7 e 2 1 3 0 22 l8 。3 9 2 2 1 7 82 2 0 0 9 2 2 2 。6 62 2 4 。0 7 2 2 1 0 92 2 3 。8 5 2 2 1 9 l2 2 5 。8 8 2 2 3 2 52 2 5 。5 3 8 a2 3 1 4 98 b 2 2 5 6 88 e2 2 5 1 02 2 7 。4 2 裘3 7 颧裂活塞轩c 硬度测试缀巢 表3 - 8 断裂活塞杆d 磺痰测试结聚 试骏点 编号 l el e | g 均镳 h b w2 4 2 3 92 3 2 8 92 4 4 4 42 2 9 13 2 4 2 9 92 3 8 6 92 5 0 7 62 4 0 13 i i i i i i i ii i i il i i i i i i ii i i i 试验点 编号 2 a 2 b2 c 2 d 2 e2 f 2 9 均值 h b w2 5 4 。2 92 5 4 2 92 4 2 。5 42 5 2 。7 3 2 5 4 。4 52 51 6 72 5 5 。2 02 5 2 。2 2 分析试验结果发现断裂活塞秆a 、b 、c 、d 的硬度变化不一致，断裂活塞 杆a 、c 心部硬度小于表面硬度，而断裂活寒杆l i i 、d 的表丽硬度低于心部硬 由东大学硕士学位论文 度。考虑其原因可麓如下【7 3 】： ( 1 ) 材料表面硬化的作用导致表面硬度较高。随着与表面的距离增加，表 面硬化的影响越来越小，硬度逐渐下降，到一定程度后也将呈现材料的原始硬 度。 ( 2 ) 材料加工热效应导致表面硬度低于心部硬度。加工过程中表面受到了 不同程度的机械。热作用，使相应位置的物质发生某种程度的退火效应，导致材 料的硬度降低。随着与表面距离的增加，热影响的程度逐渐减弱，因而硬度逐 渐升高，到一定距离后，将会呈现出金属材料的原始硬度。 结合断裂活塞杆a 、b 、c 的各自寿命及硬度变化情况：断裂活塞杆a 、c 的寿命远高于断裂活塞杆b ，且断裂活塞杆a 、c 的表面硬度高于心部硬度。 可以认为表面硬化可以在一定程度上提高活塞杆的寿命。 同时结合3 4 3 中拉伸试验的结果，考虑活塞杆抗拉强度与活塞杆布氏硬 度值的关系。拉伸试验中，拉伸试样取样位置为1 4 半径位置，分别对应于断 裂活塞杆a 硬度测试点5 、断裂活塞杆8 硬度测试点5 、断裂活塞杆c 硬度测 试点3 、断裂活塞杆硬度测试点2 。各活塞杆对应位置的抗拉强度和硬度的比值 均在3 4 左右( 见表3 8 ) ，与文献【7 4 j 中提如抗拉强度和硬度的比值为3 5 相近， 认为在活塞杆常用钢4 2 c r m o 及3 8 c o m o a i 中，取抗拉强度与布氏硬度比值为 3 4 应该是可靠的，可用于一定条件下的估算。由于硬度与抗拉强度、抗拉强 度与疲劳寿命及疲劳极限都存在相应的关系，可以推断硬度与疲劳寿命之间也 存在一定的关系。图3 1 5 为断裂活塞杆硬度变化情况，及取比值为3 4 估算出 的活塞杆各位置当量抗拉强度。 表3 - 9 断裂活塞杼抗拉强度与布氏硬度比值 第3 章断裂活塞杆的失效分析 a ) 断裂活塞杆a ( c ) 断裂活塞杆c 3 4 5 材料化学成分试验 ( b ) 断裂活塞杆b ( d ) 断裂活塞杆d 图3 1 5 断裂活塞杆硬度变化情况 活塞杆化学成分试验中测试了华鲁恒升断裂活塞杆a 、b 、c 及峄山化工断 裂活塞杆d 的化学成分。 断裂活塞杆a 、b 、c 、d 的化学成分测试试验结果见表3 一1 0 至表3 一1 3 。文 献 7 2 】中规定材料化学成分见表3 1 4 ，钢中硫磷及残余铜镍含量见表3 1 5 。 文献中认为钢中碳元素有助于增加钢材的强度，为了保证钢的韧性、塑性， 钢中含碳量一般不超过1 7 。钢中铬元素增加耐磨损性、硬度、耐腐蚀性：镍 元素保持强度、抗腐蚀和韧性；锰元素有助于生产纹理结构，增加坚固性和强 度及耐磨损性：硅元素有助于增强强度：钼元素防止钢材变脆，在高温时保持 钢材的强度陋79 1 。对于各活塞杆的化学成分测试结果分析如下： ( 1 ) 对于断裂活塞杆a ，己知材料为4 2 c r m o e ( e 代表特级优质钢) ，对 照标准与测得化学成分，得出如下结论：c 、s i 、m n 、c r 、m o 、s 含量达到标 准要求，而p 、c u 、n i 含量略高于标准要求。 ( 2 ) 对于断裂活塞杆b ，材料成分未知，根据所测结果判断为4 2 c r m o e ， 对照标准与测得化学成分，得出如下结论：c 、s i 、m n 、c r 、m o 、s 、p 、c u 、 n i 各项成分均符合标准要求。 。 山东大学硕士学位论文 曼ii t 邕雹曼舅皇量黑皇皇点曹墨曩邕曼墨曼曼舅蔓曼雹曼蔓曼鼍篡曼墨墨皇基墨舅墨葛皇尝量黑黑囊寰鼍墨烹舅舅寰鼍薯置篡曼皇量烹 ( 3 ) 对于断裂活塞杆c ，己知材料为3 8 c r m o a i a ( a 代表高级优质钢) ， 对照标准与测得化学成分，得出如下结论：c 、s i 、m o 、s 、p 、c u 、n i 含量达 到标准要求，m n 含量略高于标准要求，而c r 含量低于标准要求，a l 含量远低 于标准要求。 ( 4 ) 对于断裂活塞杆d ，己知材料为4 2 c r m o ，对照标准与测得化学成分， 得出如下结论：s i 、m n 、c r 、m o 、s 、p 、c u 、n i 含量达到标准要求，而c 含 量略低于标准要求，a l 含量远高于材料要求。 断裂活塞杆a 、b 、c 、d 的化学成分基本都符合文献【7 2 】中的要求，有的 化学成分略高于或略低于标准，但关键的硫、磷、铜、镍含量都达到了标准规 定，可以认为这四根活塞杆的化学成分对其疲劳寿命没有太大的影响。 表3 1 0 断裂活塞轩a 化学成分测试结果 w t l 0 3 8 40 2 2 40 5 4 40 0 0 8 00 0 0 8 10 9 7 4 0 。1 8 5 0 1 9 90 1 4 7 o 0 0 1 0 20 4 0 80 2 2 00 5 5 00 。0 0 4 90 ，0 0 5 00 9 7 90 ，18 3o 。2 0l0 14 8 0 o o1o 30 3 7 60 2 1 90 5 2 90 。0 0 4 60 0 0 6 70 9 5 l0 1 7 2o 。1 9 80 。1 4 3 o o o l o 均德0 。3 8 9 0 。2 2 10 。5 4 10 。0 0 5 80 。0 0 6 60 9 6 80 。1 8 00 。1 9 90 1 4 6 o 0 01 0 第3 章颧裂活塞杼的失效分橱 舞囊墨嘲期舞_ ii i i l li ll 囊曩嘲_ 表3 。1 3 断裂潺塞秆亿学成分测试缀袋w t 表3 1 4g b t3 0 7 7 。1