往复式活塞压缩机是最常用的容积式压缩机，具有制造技术成熟、压力范围广、热效率高、适应性强、排气量调节范围大、材料要求不高等优点，广泛应用于石油和化工等领域的各类气体压缩场合。活塞杆是压缩机的运动部件，其

 

    推动活塞往复运动一次，依次完成膨胀、吸气、压缩、排气4个过程。活塞杆的主要失效形式是断裂，造成断裂的因素很多，除了疲劳载荷以外，还有加工缺陷和安装精度、介质腐蚀、结构不合理等多种因素。本文以化工生产装置的一起压缩机活塞杆断裂失效事故为例，通过检测与分析，查清造成活塞杆断裂的主要因素，为同类活塞杆断裂事故分析与改进措施提供技术指导。

 

    活塞杆断裂的压缩机型号为6HF2-3,意大利Nuovo Pignone公司生产，压缩机介质为乙烯，操作压力8 MPa,操作温度80℃。断裂的活塞杆为新替换的，材质为40CrNiMoA合金钢，由国内某厂家制造，仅仅使用了2个月就发生了断裂，寿命很短。

 

    2 活塞杆断口形貌检查分析

 

    由图1活塞杆整体侧面形貌可以看出，活塞杆整个长度的较粗部分（直径φ110 mm）表面打磨光亮，左端变径小头段的侧表面明显可见加工痕迹，未发现表面热处理迹象。活塞杆断裂部位在变径小头的连接螺纹处，即在与螺帽连接的2~3螺纹扣处，参见图2.由图2活塞杆断口形貌可以看出，断口大部分区域比较平整，在断口平面的下侧有一个凹进的最后撕裂断面。活塞杆整个断口宏观形貌符合疲劳断口的形貌特征。

 

    3 活塞杆断口微观检测分析

 

    在活塞杆断口上选区截取未受到撞击破坏的断口试样，超声波清洗干净，用扫描电镜分析断口表面微观形貌，用能谱仪检测表面化学成分。

 

    由图3可以看出，活塞杆断口在高倍下微观形貌特征为疲劳辉纹，属于典型疲劳断裂机理。这说明活塞杆在2个月的使用过程中，螺纹根部萌生微裂纹逐渐扩展，最终造成疲劳断裂。表1断口表面成分检测结果表明，断口表面无腐蚀产物，说明活塞杆断裂与腐蚀无关。

 

    4 活塞杆螺纹加工形态微观分析

 

    选取带螺纹试样，用扫描电镜分析螺纹根部表面和横截面微观形貌，查找是否存在螺纹加工缺陷。由图4和图5可以看出，活塞杆螺纹根部加工形态正常，未发现粗大加工刀痕或者其它缺陷，这说明活塞杆螺纹加工方面不存在质量问题。

 

    5 活塞杆组织中夹杂物检测评级

 

    在活塞杆上截取小试样，经过研磨和抛光，利用扫描电镜对试样组织进行夹杂T物评级，用能谱仪检测夹杂物成分。由图6和图7可以看出，活塞杆微观组织中含有较多的条状非金属夹杂物，按照国家标准GB/T 10561-2005,条状非金属夹杂物属于A类夹杂物，评级为1.5级，材质夹杂物超标。能谱成分检测结果表明：条状非金属夹杂物的主要成分为S和Mn元素，确定为钢中常见的硫化锰夹杂物。

 

    6 活塞杆金相组织检测分析

 

    将上述试样用4%硝酸酒精溶液浸蚀，制备成金相试样，利用金相显微镜对试样进行金相组织分析。由图8活塞杆金相组织可以看出，活塞杆组织分布不均匀，呈现轴向条带状分布，这是活塞杆毛坯料扎制形成的。呈现条带状分布的金相组织中，一部分区域为比较粗大的贝氏体组织，一部分区域为细小的索氏体组织，参见图9.这说明活塞杆制造过程中的热处理状态为调质热处理，但是热处理不完全，未形成全部索氏体组织，含有较脆的粗大贝氏体组织，从而降低了活塞杆的抗疲劳强度。

 

    7 活塞杆断裂原因分析与技术措施

 

    根据活塞杆断口的宏观和微观形貌特征，结合活塞杆的交变载荷工况，判断活塞杆断裂属于机械疲劳失效。活塞杆材质的微观组织中发现了较多的MnS非金属夹杂物，削弱了活塞杆的承载能力，再加上组织中含有较脆的粗大贝氏体组织，这些都降低了活塞杆的抗疲劳强度，从而导致活塞杆短期内就发生疲劳断裂失效。

 

    针对造成活塞杆断裂的主要因素，提出了改进的活塞杆制造技术方案，包括控制材质中非金属夹杂物含量、优化调质热处理工艺、表面渗碳/氮以及表面淬火等强化处理。按照新技术方案制造的活塞杆使用寿命延长到一年以上，为企业减少了经济损失。