天然气站往复式压缩机活塞失效分析.pdf

2 01 1钲 第 1 期 麓 技 木 Pi p e l i n e Te c h ni q ue 设 备 Eq u i p me n t 2 01 1 No ． 1 天然气 站往 复式压缩机活塞失效分析 马欣 ， 桑东恒， 刘清友 西南石油大学 ， R／ I I 成都6 1 0 5 0 0 摘要 针对天然气站往复式压缩机活塞的断裂事故， 运用失效分析方法， 开展了活塞断17 扫描电镜 分析、 能谱和金相分析。根据断口形貌的电镜和金相观察结果， 结合理论知识 ， 分析确定 了该活塞发生 断裂事故的主要原因， 即在特定工况下该活塞的材料缺陷是造成断裂的主要因素。 关键词 活塞 ； 断 口； 失效； 断裂 ； 电镜 中图分类号 T E 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 1 O 1 0 0 3 2 0 3 A Fa i l ur e An a l y s i s o f t he Re c i p r o c a t i n g Co m p r e s s o r Pi s t o n i n Na t u r a l Ga s Tr e a t m e n t S t a t i o n MA X i n ， S A N G D o n g - h e n g ， L I U Q i n g y o u S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， C h i n a Ab s t r ac t Ai mi ng o n t h e fra c t u r e f a i l u r e o f t h e r e c i pr o c a t i ng c o mp r e s s o r pi s t o n i n n a t u r a l g a s t r e a t me nt s t a t i o ns ，t hi s p a pe r a p pl i e s t h e me t h o d o f f a i l u r e a na l y s i s a nd de v e l o ps t h e a n alys i s o f EMS，s p e c t ur m a n d me t a l l og r a ph i c o bs e r v a t i o n s t h e EMS a n d me t a l l o g r a p h i c p i c t u r e s o f t h e f r a e t o g r a p h y ． I t a l s o a n a l y z e s t h e ma i n r e a s o n s o f f a i l u r e o f t h e fra c t u r e d p i s t o n a n d d r a w s a c o n c l u - s i o n t h a t t h e ma t e r i a l d e f e c t s o f t h e r e c i p r o c a t i n g c o mp r e s s o r s p i s t o n i s t h e ma j o r c a u s e o f t h e f a i l u r e ． Ke y wor ds p i s t o n； f r a c t o g r a ph y； f a i l u r e； fra c t u r e； EMS 0 引言 新疆油 田某天然气 处理站在最近一两年 内发生 了多起活塞开裂或断裂事故 ， 严重影响天然气处理站 的安全稳定运行。为了找到失效原 因， 开展 了压缩机 活塞断裂失效分析研究。 1 断 口宏 观分 析 断 口是断裂失效分析重要 的证据 ， 它是残骸分析 中断裂信息的重要来源之一l1 J 。此活塞采用的铸造 工艺为压力铸造 ， 从端 口可以清楚地观察到活塞头是 整体断裂 ， 并且有 明显 的脆性 断裂迹象 ， 断裂面与垂 直方向大约呈 4 5 。 。体式显微镜下观察 见 图 1 ， 发 现端 口面基本是均匀 的 图 1 a ， 整个断 口没有 明 显的断裂台阶和断裂起源点 ， 可见此处主要发生脆性 断裂 ； 从 图 1 b 可 以明显地看 到， 中间一块 比其他各 处亮 ， 而且断 口表面粗大 ， 出现 了微小的滑移， 可以肯 定在断裂的过程中组织发生了一定 的塑性 形变 ， 但是 塑性形变 不大。并且此处 与其 他各 处相 比形成 了明 显的台阶， 可以推测此处可能是 由于组织不均匀而引 起的偏析 ， 由此导致断裂 ， 并形成断裂源点 。 收稿 日期 2 0 0 91 0 3 1 收修 改稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 8 一 b 图 1 体式显微镜端 口形貌 2断口扫描电镜及能谱分析 采用 J E O L ／ J S M一6 4 9 0 L V型 扫描 电镜 对断 口进 行分析。E D S显示此铝合金为 A l s i 系合金 ， 组织成 分如表 1 所示。 表 1 断口组 织成 分 ％ 成 分 质量分 数 原子百分数 成分 质量分数 原子百分数 A1 81 ． 8 2 8 0 ． 7 5 Ce 2 ． 1 O O ． 4 S i 8 ． 3 8 7 ． 9 5 F e 1 ． 2 5 O ． 6 0 5 ． 6 7 9 ． 4 5 Mg 0． 7 8 0 ． 8 5 注 A 1 一S i 系合金 Mg 偏 低， 但铁 的含量偏 高。 扫描电镜图片 图 2 显示 ， 断 口布满不规则 的韧 窝和断裂痕 以及孔洞 ， 没有明显 的滑移面。韧窝是 以 材料中的孔洞为核心 ， 在应力作用下逐渐聚集 、 长大 、 串联而形成的。准解理断裂和韧窝是有关 的， 在准解 理小平面和星花间可以看到许多漫布 的韧窝， 显示 出 第 1 期 马欣等 天然气站往复式压缩机活塞失效分析 3 3 这两类断裂之间的联 系。从 断 口扫描电镜形貌得 出， 该活塞可能是受多次 内应力作用 造成准解理脆性 断 裂 。 图 3为扫描电镜下断 口上的孔洞照片 ， 可看出孔 洞处有一不导电的杂质 ， 其与周 围其他组织有明显 的 不同， 很可能是铝合金在铸造的时候 由于变质或者 热 处理所形成 的。由于杂质 的存在 ， 在此处形成应力集 中， 当应力超过材料 的屈服强度 ， 就会 发生 断裂 ， 此处 就为断裂源 。孔洞的凝 固组织不致密 ， 其主要原 因是 缩松和气孔 ， 二者通常是相互影响的 。图 3所示 的 孔洞既可能是高 温液态金属铸件凝 固时收缩造成 的 缩孔 ， 也可能是在熔炼时高温液态金属溶有部分气体 在铸件凝 固时不能完全溢 出而造成 的气孔缺 陷。凝 固收缩若能得到 液相的及时补充则 可防止缩松的形 成。降低液相 中的气体 含量 或采用在压力下凝 固 的 铸造方式也可有效控制缩松的形成 J 。 图 2 断 口扫描 电镜照片 图3扫描 电镜下的孔洞 由于断 口表面布有大量的孔洞 ， 因此在扫描 电镜 下结合 E D S对孔洞进行观察和分析 ， 见图 4 。 f b c 图 4 子 L 洞处的扫描 电镜照片 孔洞下有 明亮 的杂质 见 图 4 a ， 断裂面组织 均匀处见 图4 b ， 孔洞下还有一些椭圆状的组织排列 见图 4 c ， 由此可 以推测 ， 在 断裂的过程 中， 孔洞 和杂质 由于不 能承受足 够的应力 ， 造成材料 的断裂 。 通过 E D S分析 ， 图 4中 3处的组织成分如表 2所示。 3点处的 F e 、 O含量都比较高， F e元素在铸造铝合金 中是有 害 的 杂 质 ， 常 常 与 s i形 成 BF e S i A 1 。 或 F e s i A 1。 相， 会使铸件产生裂纹， 铸铝中铁含量过高 时会使铸件产生脆性。a 处氧元素和钙元素 占了很大 的比重 ， 可能是熔炼过程 中产生的氧化物 如 A 1 0 等 杂质 ， 钙元素可能在无机非金属材料模具 上脱落下 的颗粒中。这些严重地影响了材料 的强度 ， 也是 引起 材料断裂的重要原 因。a处 F e 含量严重超标 ， 对材料 的塑性产生严重影响， 此处非常容易发生脆性断裂。 表 2 断 口各 部分 成分 ％ 成分 成分 Al 1 6 ． 3 81 ． 8 2 71 ． 3 8 Mg 0． 5 7 0． 7 8 0 ． 8 5 l 5 ． 5 9 8 ． 3 8 8 ．1 7 Ca 7 ． O O 1 ． 1 6 O 3 4 ． 7 1 5 ． 6 7 1 4 7 7 K 1 ． 4l 0 ． 9 O F e 5 ． 4 5 1 ． 2 5 2 ． 7 7 C l 8 ． 9 7 注 b处 含 量 包 括 C e兀 素 。 3金 相分 析 在活塞断裂区域取剖面试样 ， 经磨抛和化 学试剂 侵蚀后 ， 在金相显微镜 下观察 发现 ， 该组织 中有非金 属夹杂 ， 金相组织主要 为 o l A 1 相 仅S i 针状共 晶 少量初生 S i 少量 A l 。 F e S i 2 。 仅S i 共晶的平 衡组织应为粗大针状 的共 晶硅 ， 分布在铝基体上。图 5 、 图 6显示该活塞铸造组织为初生 相和 S i 两 相共 晶组织 ， 共 晶硅主要沿 晶界分布 ， 形态为块状和 针状 ， 其两相共 晶组织成鱼骨状分布。当合金呈这种 组织时 ， 其 力学性能很差 ， 故不宜使用 。工业上 常在 合金浇注之前加入不超过 1 5 ％的钠或钠盐 ， 以改变铝 硅合金的组织 ， 从而提高合金的力学性能 ， 即“ 变质处 理” 。从基体组织 中的初生 相 固溶体分析 ， 该铝 硅合金已进行了变质处理 ， 但变质处理进行 的不够充 分 ， 组织 中还分布有一定数量 的针状硅。针状硅脆性 大 ， 容易形成裂纹 ， 显著降低铝硅合金的力学性能。 a b 图 5 初生 固溶体针状硅 、 块状硅 由图 7可 以看 出， 组织 中含有块状 夹杂物。所谓 的夹杂物 ， 就是指对金属或合金的工艺和机械 、 物理 性能以及制品的表面光洁度 、 色泽等带来不利影响的 金属或金属氧化物。 3 4 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J a n ．2 0 1 1 一 图6 鱼骨状 s i 两相共晶组织图 图 7 块状夹杂物 通过 E D S分析发现 ， 夹杂物主要为氧化铝夹杂 ， 因氧化铝本质较硬 ， 而与脆性较大 的针状硅结合时 ， 若受外力撞击 ， 容易使材质 中的脆性针状硅 断裂， 形 成微裂纹 ， 裂纹扩展造成该活塞断裂。鱼骨状共 晶组 织 、 夹杂物对裂纹形成与扩展过程有重要作用 ， 它们 在两相界面处 有利 于裂纹形 成 ， 裂纹扩 展遇 到夹杂 物 ， 这种夹杂物与基体界面可以作为裂纹通道 ， 加速 裂纹扩展。尤其是大 面积 的夹杂会大幅度降低材料 的综合力学性 能， 加速裂纹 的扩展 ， 更易发生脆性断 裂。因为脆性断裂裂纹扩展 的速度 非常快 ， 当材料 内 部出现裂纹时， 在应力作用下 ， 裂纹会在很短的时间 内扩展 ， 导致活塞断裂 。 断 曰组织 能谱 分析证 明， 针状组织 中硅含 量高 ， 室温下多余 的硅容易与基体形 成粗针状的共晶体组 织 ， 该组织一旦形成很难消除 ， 大大 降低材料的力学 性能。另外 ， 能谱分 析表 明， 断 口铁含量较 高， F e与 A l 、 s i 形成的 A l F e s i 。 鱼骨状共 晶组织 ， 极大地 降低 了合金的伸长率和强度。由于鱼骨状共 晶组织与针 状硅瞻 I生大 ， 这种组织 的存在能显著降低铝硅合金 的 力学性能 - 4 1 。 另外 ， 此活塞铝合金还存在着组织不均匀、 部分组 织粗大的缺点 ， 如图 8所示。组织的这种不均匀现象就 是所谓的偏析， 它是铝合金在凝 固过程 中， 由于某些因 素的影响 ， 造成铸件各部分化学成分和组织的不均匀现 象。此种偏析为缩孔型的共晶偏析， 对合金十分有害， 一 方面使共晶偏析组织粗大， 另一方面使共晶偏析和缩 孔经常同时存在， 严重影响了机械性能。 图 8组织不 均匀 4 结束 语 活塞在工作过程 中承受交变载荷 ， 加上活塞材料 存在加工铸造缺陷等 ， 造成活塞在应力作用下 ， 材料 缺陷处发生裂纹并扩展导致断裂。另外 ， 在工作 中活 塞与活塞杆连接的螺栓有可能发生松动， 使活塞顶部 受到冲击 ， 加速了活塞的裂纹扩展速度。 参考文献 [ 1 ] 钟群鹏 ， 田永江． 失效分析基础知识． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 上海市金属学会． 金属材料缺陷金相图谱． 上海 上海科 学技 术出版社 ， 1 9 6 6 ． [ 3 ] 程远 明． 铝加 工缺 陷． 哈尔 滨 黑龙 江科 学技 术 出版 社 ， 1 98 6． [ 4 ] 大型铸锻件行业协会． 大型铸锻件缺陷分析图谱． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 0 ． 作者简介 马欣 1 9 7 1 一 ， 副教授， 从事石油石化装备的设计与 安全方面 的教学和科研工作 。 上接第 1 1页 模 型和流量公式可直接计算 出流量 ； 对非壅塞 区的燃气 ， 不能通过模型直接求解 ， 需要根 据出口压力和入 口马赫数 以及对应的管长， 进行 函数 的拟合 ， 得到出口压力和入 口马赫数 以管长为 自变量 的拟合函数 ， 推导出了一定管长下流量与 出口压力的 关系式。 在壅塞区 ， 胶管出 口压力大于汽车储瓶 内的压力 且保持不变 ， 胶管通过的流量最大 ； 在非壅塞区， 胶管 出口压力等于汽车储瓶 内的压力 ， 胶 管的流量随出 口 压力 即汽车储瓶内压力 的升高而减小 。 参考文献 [ 1 ] 宋 晓琴 ． 国 内外 C N G加 气 站 的 发 展 趋 势． 油 气储 运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 8 1 3 ． [ 2 ] 李丹 ， 敬 加强 ． 天 然气 储运 技术 研究 ． 管道技 术 与设备 ， 2 0 0 9 1 45 ． [ 3 ] 刘锡麟． C N G加气站压缩 天然气 的计量． 计量技 术 ， 2 0 0 1 7 2 72 9． [ 4 ] 蔡武昌． 压缩天然气汽车加气站流量计量系统． 上海计量 测试 ， 2 0 0 3 ， 3 0 5 2 6 2 7 ． [ 5 ] 郁永章， 高其烈 ， 冯兴全， 等． 天然气汽车加气站设备与运 行 ． 北京 中国石 化出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 王保国 ， 刘 淑艳 ， 黄伟光 ， 等． 气体动力学． 北 京 北京理工 大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 『 7 ] B A N S A L P K， WA N G G． R e a l g a s c h o k e d f l o w c o n d i t i o n s a t l o w r e d u c e d t e mp e r a t u r e s ．Ap p l i e d T h e r ma l E n g i n e e r i n g， 2 00 4， 2 4 85186 3． [ 8 ] 克罗柯 L ． 定常气体动力学的一维处理方法． 北京 科学 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 9 ] 田胜元， 萧日嵘． 试验设计与数据处理． 北京 中国建筑工 业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 作者简介 王磊 1 9 8 3 一 ， 在读硕士研究 生 ， 研究方 向为燃气输 配与应用 。