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摘要：曲轴是发动机、往复压缩机中的关键运动部件。往复压缩机是石油石化行业最重要的生产设备之一。曲轴是往复压缩机中动力传递的重要零件，长期工作在扭转、拉压等交变应力的作用下。裂纹是曲轴发生故障的最危险、最频繁的故障之一。由于曲轴工作在密闭的箱体之中，出现裂纹的曲轴早期状态变化不明显，曲轴裂纹很难被发现。这给往复压缩机安全运行埋下了安全隐患。本文就往复压缩机曲轴断裂失效展开探讨。
关键词：压缩机;曲轴;疲劳断裂;过载
引言
某石化公司一台往复压缩机在运行时突然振动连锁停机，停机后盘车不动，拆检发现电机侧曲轴拐断裂、连杆大头瓦损毁。该往复压缩机为2列立式压缩机，电机功率为185kW，转速为750r/min，曲轴材料为40Cr锻件，整体调质处理，表面高频淬火处理。该曲轴总服役时间不足35个月，远远低于设计寿命。
1开裂原因分析
曲轴在运行时可能会出现多次曲柄销开裂，并且两侧大头瓦出现短时间的疲劳失效问题，电动机在运行过程中出现一些异常声音，我们可以对压缩机在整个制造，设计，维护等过程进行分析。首先采用300mm直径的曲轴时其连杆大头瓦会在短时间内出现疲劳损伤，并且在电动机运行时产生异常声音和较大的振动，经过5500h的运行时间之后存在曲柄销开裂问题，而在使用直径为280mm的曲轴时，在运行13000h时没有出现任何开裂问题，而且整个电动机在运行中正常，未发生异常声音，大头轴承寿命相对之前有所延长，在振动中产生的噪音较小。两根曲柄销开裂曲轴直径为300mm，这种毛坯是由不同厂商生产的，经过化学成分、力学性能检测为合格。比较300mm和280mm之间的曲轴其在加工过程中误差在允许的范围内。在设计机组时并没有对轴系完成扭转振动计算，且确定裂纹与曲柄销中心线呈现45度。在处于交应变作用下很容易产生疲劳损伤，机身主轴轴承与水平度误差在允许范围内。通过对上述问题进行分析，我们发现直径为300mm的曲轴在一级曲柄销处出现开裂主要是由于轴系扭转振动，而针对直径为300mm的曲轴出现连杆大头瓦在短时间内疲劳损伤，在电动机运行时很容易产生异常声音，也是与轴系扭转振动存在联系的。在具体分析原因中，我们发现有由于三根曲轴在一级曲柄销是由不同供应商锻造的，并且曲柄销产生的裂纹具有显著的疲劳损伤症状，因此我们可以排除曲柄销在设计，使用，制造等方面的问题。往复压缩机的曲轴是与电动机转子连接在一起的，能够形成多质量轴系，而且具有一定弹性关系的自由扭转振动特点，在其运行过程中轴系会受到往复惯性力以及气体力的周期性变化，产生的激振力及作用，并且按照其作用频率出现强制振动。当轴系的扭转振动固有频率与激振频率接近时或者呈现呈现倍数关系，并且轴系很容易产生强烈扭转振动会加速零部件的损伤，并且使其在使用中产生较大噪音，甚至还会出现开裂问题，降低其运行可靠性。根据有关要求供方需要对往复压缩机的部分装置进行扭转分析，而且研究学者在进行扭转振动计算过程中发现，对于两列和四列压缩机其在扭转振动中不会产生危险，而对于六列之上的压缩机由于其列数增加，并且相应的直径也会增加，导致其固有频率降低，很容易处于名义转速范围中，破坏轴扭转振动产生的振动应力。基于六列之上的曲轴其安全系数相对系列来说要高，并且六列以上的曲轴在设计中需要重点分析振动应力问题。当曲轴本身或相连的电动机或者连杆大头瓦出现异常振动时，需要考虑采取有效措施以降低轴系的扭转振动，使用不同直径的曲轴，轴系扭转振动的固有频率是相同的，在轴系相同材料和尺寸下，固有频率是与直径的平方成正比的，当曲轴直径为300mm时，相比直径为200mm的曲轴其固有频率有所降低，能够有效避免出现共振区，进而降低曲轴扭转振动，对于已经失效的大头瓦工作面会产生不同凹坑，其边缘不规则，具有显著的快速疲劳损伤的问题，对于扭转振动较强或者导致油膜压力显著变化。在轴瓦外产生较大冲击力，使轴瓦在短时间中出现裂纹并以较快的速度向内部进行裂纹的扩展，此外还会导致连杆大头瓦和轴承油膜破坏时表面出现咬粘，导致产生新的裂纹，在轴瓦运行需要還会不断拓展裂纹，使裂纹上下逐渐拓展甚至达伤痕，会形成新的裂纹源，在轴瓦运行过程中还会使裂纹不断拓展。这些裂纹向下拓展达到钢和合金结合面之后还会沿结合线继续拓展。对强烈的扭转振动会使其电动机在运行时出现转子和定子的显著变化，而使定、转子间的空气流速变化引起磁场脉冲和气流噪声增加，最终导致电动机在运行过程中出现异常噪声。
2曲轴性能分析
（1）曲轴材质分析。采用台式光谱仪对该曲轴（40Cr）近断裂处取样进行材质成分测定，测定结果表明曲轴材质完全符合JB/T6908标准要求，并且材质成分中不含金属Sn。（2）曲轴机械性能分析。对该曲轴近芯部取样进行机械性能试验，曲轴的机械性能符合JB/T6908标准要求。（3）金相组织分析。采用金相显微镜IM300（MS04）对曲轴未断裂部分的取样进行了组织测定，结果显示：（a）曲轴材料致密性良好，未见微观孔洞、裂纹等缺陷;（b）曲轴表面组织为隐针马氏体，符合该轴精加工后表面经过高频淬火的热处理状态;（c）曲轴芯部基体组织为索氏体，其上分布有珠光体+网状铁素体+少量魏氏组织，呈带状分布，该曲轴在粗加工后经过调质处理，珠光体的存在说明调质处理时芯部温度不足，晶体组织未充分转变。
3几何模型
为了减少不必要的工作量，节省计算时间，在建立几何模型时，将一些对分析结果影响较小的因素做了适当的简化：（1）为保证网格质量，避免局部网格过密，忽略了轴颈处的圆角和凸台;（2）所有载荷均平行曲轴转动平面作用在曲轴上，并认为沿轴颈厚度方向均匀分布;（3）静力分析中，不考虑曲轴振动应力，加工制造和装配误差引起的轴系附加应力;（4）对于轴系中不是均质量分布的部件，如飞轮及电机转子，转化为均质量圆盘，但须保证转化前后的转动惯量和质量相等.
结语
（1）该曲轴断口宏观形貌有裂纹扩展的贝纹线，微观形貌呈现疲劳辉纹，属于典型的疲劳断裂失效，应是机器首次故障及烧瓦导致的初始微损扩展所致。（2）该曲轴热处理不足，其芯部金相组织没有充分转变为索氏体，残余带状分布的珠光体等组织，虽然不是本次曲轴断裂的主要原因，但也是影响曲轴长期服役的致损因素，因此该类零件的热处理工艺或操作应进行改良，使其获得合适的内外部组织，为长周期运行提供保障。（3）该机经历初期过载事故后应拆解相关联的运动部件进行必要的量化检测，防止安装状态感性检查的疏漏造成更多的故障。该机此次曲轴断裂故障后返厂拆检修理，复检相关零部件、更换新曲轴和轴瓦，重新安装投运后已经连续无故障运行19个月。
参考文献：
[1]蒋毅，冯李杨，马立刚.往复式抽气压缩机曲轴轴承失效原因分析及对策[J].石油化工设备，2019（04）：76-80.
[2]干杰.往复式压缩机曲轴强度影响因素研究[J].环球市场，2019（24）：126.
[3]贺运初，胡祖汉，戴新西，潘树林.大型往复压缩机曲轴开裂的原因及改造[J].流体机械，2019（04）：39-41+8.
[4]周禹，王金东，吴玲，赵海洋.含轴承间隙的往复压缩机刚柔耦合模型仿真分析[J].压缩机技术，2019（05）：16-19+29
[5]董超群.整体往复式压缩机曲轴力学性能研究与安全评价[D].西南石油大学，2020.
关键词：压缩机;曲轴;疲劳断裂;过载
引言
某石化公司一台往复压缩机在运行时突然振动连锁停机，停机后盘车不动，拆检发现电机侧曲轴拐断裂、连杆大头瓦损毁。该往复压缩机为2列立式压缩机，电机功率为185kW，转速为750r/min，曲轴材料为40Cr锻件，整体调质处理，表面高频淬火处理。该曲轴总服役时间不足35个月，远远低于设计寿命。
1开裂原因分析
曲轴在运行时可能会出现多次曲柄销开裂，并且两侧大头瓦出现短时间的疲劳失效问题，电动机在运行过程中出现一些异常声音，我们可以对压缩机在整个制造，设计，维护等过程进行分析。首先采用300mm直径的曲轴时其连杆大头瓦会在短时间内出现疲劳损伤，并且在电动机运行时产生异常声音和较大的振动，经过5500h的运行时间之后存在曲柄销开裂问题，而在使用直径为280mm的曲轴时，在运行13000h时没有出现任何开裂问题，而且整个电动机在运行中正常，未发生异常声音，大头轴承寿命相对之前有所延长，在振动中产生的噪音较小。两根曲柄销开裂曲轴直径为300mm，这种毛坯是由不同厂商生产的，经过化学成分、力学性能检测为合格。比较300mm和280mm之间的曲轴其在加工过程中误差在允许的范围内。在设计机组时并没有对轴系完成扭转振动计算，且确定裂纹与曲柄销中心线呈现45度。在处于交应变作用下很容易产生疲劳损伤，机身主轴轴承与水平度误差在允许范围内。通过对上述问题进行分析，我们发现直径为300mm的曲轴在一级曲柄销处出现开裂主要是由于轴系扭转振动，而针对直径为300mm的曲轴出现连杆大头瓦在短时间内疲劳损伤，在电动机运行时很容易产生异常声音，也是与轴系扭转振动存在联系的。在具体分析原因中，我们发现有由于三根曲轴在一级曲柄销是由不同供应商锻造的，并且曲柄销产生的裂纹具有显著的疲劳损伤症状，因此我们可以排除曲柄销在设计，使用，制造等方面的问题。往复压缩机的曲轴是与电动机转子连接在一起的，能够形成多质量轴系，而且具有一定弹性关系的自由扭转振动特点，在其运行过程中轴系会受到往复惯性力以及气体力的周期性变化，产生的激振力及作用，并且按照其作用频率出现强制振动。当轴系的扭转振动固有频率与激振频率接近时或者呈现呈现倍数关系，并且轴系很容易产生强烈扭转振动会加速零部件的损伤，并且使其在使用中产生较大噪音，甚至还会出现开裂问题，降低其运行可靠性。根据有关要求供方需要对往复压缩机的部分装置进行扭转分析，而且研究学者在进行扭转振动计算过程中发现，对于两列和四列压缩机其在扭转振动中不会产生危险，而对于六列之上的压缩机由于其列数增加，并且相应的直径也会增加，导致其固有频率降低，很容易处于名义转速范围中，破坏轴扭转振动产生的振动应力。基于六列之上的曲轴其安全系数相对系列来说要高，并且六列以上的曲轴在设计中需要重点分析振动应力问题。当曲轴本身或相连的电动机或者连杆大头瓦出现异常振动时，需要考虑采取有效措施以降低轴系的扭转振动，使用不同直径的曲轴，轴系扭转振动的固有频率是相同的，在轴系相同材料和尺寸下，固有频率是与直径的平方成正比的，当曲轴直径为300mm时，相比直径为200mm的曲轴其固有频率有所降低，能够有效避免出现共振区，进而降低曲轴扭转振动，对于已经失效的大头瓦工作面会产生不同凹坑，其边缘不规则，具有显著的快速疲劳损伤的问题，对于扭转振动较强或者导致油膜压力显著变化。在轴瓦外产生较大冲击力，使轴瓦在短时间中出现裂纹并以较快的速度向内部进行裂纹的扩展，此外还会导致连杆大头瓦和轴承油膜破坏时表面出现咬粘，导致产生新的裂纹，在轴瓦运行需要還会不断拓展裂纹，使裂纹上下逐渐拓展甚至达伤痕，会形成新的裂纹源，在轴瓦运行过程中还会使裂纹不断拓展。这些裂纹向下拓展达到钢和合金结合面之后还会沿结合线继续拓展。对强烈的扭转振动会使其电动机在运行时出现转子和定子的显著变化，而使定、转子间的空气流速变化引起磁场脉冲和气流噪声增加，最终导致电动机在运行过程中出现异常噪声。
2曲轴性能分析
（1）曲轴材质分析。采用台式光谱仪对该曲轴（40Cr）近断裂处取样进行材质成分测定，测定结果表明曲轴材质完全符合JB/T6908标准要求，并且材质成分中不含金属Sn。（2）曲轴机械性能分析。对该曲轴近芯部取样进行机械性能试验，曲轴的机械性能符合JB/T6908标准要求。（3）金相组织分析。采用金相显微镜IM300（MS04）对曲轴未断裂部分的取样进行了组织测定，结果显示：（a）曲轴材料致密性良好，未见微观孔洞、裂纹等缺陷;（b）曲轴表面组织为隐针马氏体，符合该轴精加工后表面经过高频淬火的热处理状态;（c）曲轴芯部基体组织为索氏体，其上分布有珠光体+网状铁素体+少量魏氏组织，呈带状分布，该曲轴在粗加工后经过调质处理，珠光体的存在说明调质处理时芯部温度不足，晶体组织未充分转变。
3几何模型
为了减少不必要的工作量，节省计算时间，在建立几何模型时，将一些对分析结果影响较小的因素做了适当的简化：（1）为保证网格质量，避免局部网格过密，忽略了轴颈处的圆角和凸台;（2）所有载荷均平行曲轴转动平面作用在曲轴上，并认为沿轴颈厚度方向均匀分布;（3）静力分析中，不考虑曲轴振动应力，加工制造和装配误差引起的轴系附加应力;（4）对于轴系中不是均质量分布的部件，如飞轮及电机转子，转化为均质量圆盘，但须保证转化前后的转动惯量和质量相等.
结语
（1）该曲轴断口宏观形貌有裂纹扩展的贝纹线，微观形貌呈现疲劳辉纹，属于典型的疲劳断裂失效，应是机器首次故障及烧瓦导致的初始微损扩展所致。（2）该曲轴热处理不足，其芯部金相组织没有充分转变为索氏体，残余带状分布的珠光体等组织，虽然不是本次曲轴断裂的主要原因，但也是影响曲轴长期服役的致损因素，因此该类零件的热处理工艺或操作应进行改良，使其获得合适的内外部组织，为长周期运行提供保障。（3）该机经历初期过载事故后应拆解相关联的运动部件进行必要的量化检测，防止安装状态感性检查的疏漏造成更多的故障。该机此次曲轴断裂故障后返厂拆检修理，复检相关零部件、更换新曲轴和轴瓦，重新安装投运后已经连续无故障运行19个月。
参考文献：
[1]蒋毅，冯李杨，马立刚.往复式抽气压缩机曲轴轴承失效原因分析及对策[J].石油化工设备，2019（04）：76-80.
[2]干杰.往复式压缩机曲轴强度影响因素研究[J].环球市场，2019（24）：126.
[3]贺运初，胡祖汉，戴新西，潘树林.大型往复压缩机曲轴开裂的原因及改造[J].流体机械，2019（04）：39-41+8.
[4]周禹，王金东，吴玲，赵海洋.含轴承间隙的往复压缩机刚柔耦合模型仿真分析[J].压缩机技术，2019（05）：16-19+29
[5]董超群.整体往复式压缩机曲轴力学性能研究与安全评价[D].西南石油大学，2020.