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。
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8000h的停机维护保养时，发现其左侧机组150mm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0.5MPa，出气压力为1.2MPa，标尺导架的材料为MTCrMoCu-250钢，标尺导架本体高度为260mm，连接法兰厚度为28mm，法兰过渡段存在高度约为3mm的凸台且无倒角，法兰面均匀分布有10个直径为18mm 的螺栓孔。研究人员采用一系列理化检验方法，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。
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。
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2.5μm，粗大石墨宽度约为14μm，依据GB/T 7216—2009 《灰铸铁金相检验》，判断石墨长度级别为3级。
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6μm。
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 。
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。
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160μm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550μm，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50μm，宽度小于3.6μm)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。
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。
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。
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。
作者：赖玉林1，方磊2，孟祥1，赖成才1，段荣涛1，吴娜荣1，封成成1
单位：1.机械工业上海蓝亚石化设备检所有限公司；
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
来源：《理化检验-物理分册》2024年第1期
