分享：某氢气往复式压缩机连接螺栓的断裂原因

陆 颜1,谈金祝1,李 洋1,王 超1,罗盛华2

 (1.南京工业大学机械与动力工程学院,南京211816;2.中国石油化工股份有限公司金陵分公司,南京210033) 

摘 要:某氢气往复式压缩机在正常工作一段时间后,其连接螺栓发生断裂。通过断口宏观与 微观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察、力学性能测试等方法,对该连接螺栓的断裂原因进行 分析。结果表明:该连接螺栓的断裂性质为低应力高周疲劳断裂。在交变载荷作用下,微裂纹在螺 栓螺纹根部高应力集中区域萌生;螺栓热处理不当导致形成回火索氏体、上贝氏体和铁素体的混合 组织,造成螺栓的强度和硬度偏低,并加速疲劳裂纹扩展。最终连接螺栓发生疲劳断裂。 

关键词:连接螺栓;疲劳断裂;应力集中;回火索氏体;力学性能 中图分类号:TH457 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)01-0105-04 

0 引 言

 随着科技的发展以及石化产品加工深度的不 断增加,氢气 往 复 式 压 缩 机 在 石 油 化 工 领 域 中 的 应用越来越广泛[1-3]。在压缩机工作时,在疲劳载 荷以及较大 静 载 荷 作 用 下,连 接 螺 栓 经 常 发 生 断 裂,导致压缩机无法正常工作[4],尤其是氢气往复 式压缩机,其 气 缸 与 接 筒 连 接 螺 栓 的 断 裂 会 造 成 巨大的经济损失,甚至会危及人身安全,因此螺栓 的稳定工作对氢气往复式压缩机的安全可靠性至 关重要[5]。某石化公司一台氢气往复式压缩机在 正常工作一段时间后,其进、排气储罐发生异常振 动,经检修发现该压缩机第二列缸体与接筒的20 根连接螺栓 中 有 7 根 发 生 了 断 裂,且 断 裂 位 置 均 在螺栓 与 螺 母 旋 合 部 分 的 第 一 扣 或 第 二 扣 螺 纹 处,螺栓材料为35CrMoA 钢,热处理态为调质态。 为找到该连 接 螺 栓 断 裂 的 原 因,作 者 对 其 进 行 了 失效分析。 

1 理化检验及结果 

1.1 断口宏观形貌

 由于7根断裂螺栓的整体及断口宏观形貌相 似,因此选择其中一根断裂螺栓进行形貌观察。由 图1可以看出,该螺栓在螺纹处断裂成两段,测得其 短段长约25mm,长段长约255mm,螺栓断口处的 螺纹规格为 M24。 105 陆 颜,等:某氢气往复式压缩机连接螺栓的断裂原因 由图2可以看出,失效螺栓断口呈凹杯状,由 裂纹源区、裂 纹 扩 展 区 和 瞬 断 区 组 成。裂 纹 源 位 于螺栓螺纹根部过渡圆弧处,且具有多源性;裂纹 扩展区 光 滑 平 整,且 面 积 较 大,呈 现 脆 性 断 裂 特 征;瞬断区与裂纹扩展区间有较明显的分界线,瞬 断区部分区域呈现撕裂特征。螺栓断口中未观察 到明显的塑 性 变 形 区 域,说 明 螺 栓 局 部 的 应 力 集 中程 度 较 大。 由 此 可 知,断 裂 螺 栓 发 生 了 疲 劳 断裂。 

1.2 化学成分

 分别在断口附近螺栓边缘位置与中心位置选 取2个 点,采 用 SpectRoMAX 型 直 读 光 谱 仪 测 定 化学成分,取平均值。由表1可以看出,失效螺栓 中碳 元 素 的 含 量 略 高 于 GB/T3077-2015 中 35CrMoA 钢的成分标准值,其余各元素含量均在 标准范围内。 图1 失效螺栓的整体宏观形貌 Fig.1 Overallmacroscopicmorphologyofthefailedbolt 图2 失效螺栓断口的宏观形貌 Fig.2 Macroscopicmorphologyoffractureofthefailedbolt 表1 失效螺栓的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionofthefailedbolt massfraction % 条件 C Si Mn Cr Mo S P Ni Cu 测试值 0.429 0.231 0.51 0.83 0.192 0.0089 0.015 0.037 0.013 标准值 0.32~0.40 0.17~0.37 0.40~0.70 0.80~1.10 0.15~0.25 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.30 ≤0.25 1.3 显微组织 采用线切割方法在螺栓断口附近平行于断裂面 切割试样,经过粗磨、细磨、抛光,用体积分数4%硝 酸酒精溶液腐蚀后,在 AxioimagerAIM 型光学显 微镜下观察螺栓横截面的显微组织。35CrMoA 钢 的调质态组织应为均匀细小的回火索氏体。由图3 可以看出,螺栓横截面不同位置的组织均为回火索 氏体、上贝氏体和铁素体的混合组织,且心部的组织 较边缘的粗大,这可能是由连接螺栓的热处理工艺 未完全达到35CrMoA 调质钢的热处理要求,即在 热处理过程中淬火冷却速率过小或淬火介质冷却能 力低导致的。 图3 失效螺栓断口附近横截面不同位置的显微组织 Fig 3 Microstructuresofdifferentpositionsoncrosssectionnearfractureofthefailedbolt a edge b core atlowmagnification and c core athighmagnification

 1.4 断口微观形貌

 采用JSM-6360LV 型扫描电子显微镜(SEM) 观察失效螺栓断口不同区域的微观形貌。由图4可 以看出:裂纹源区存在大量韧窝,呈韧性断裂特征, 同时在螺纹根部可观察到周向微裂纹;裂纹扩展区 存在多条放射性弧线,弧线收敛位置即为疲劳裂纹 源;裂纹扩展区呈穿晶解理断口形貌,断裂性质为脆 性断裂,同时该区域还存在大量疲劳辉纹;瞬断区存 在大量韧窝,呈现韧性撕裂断口形貌,断裂性质为典 型的韧性断裂。由此可知,连接螺栓发生低应力高 106 陆 颜,等:某氢气往复式压缩机连接螺栓的断裂原因 图4 失效螺栓断口不同区域的SEM 形貌 Fig 4 SEM morphologyofdifferentregionsonfractureofthefailedbolt a cracksourceregion b crackpropagationregion atlowmagnification c crackpropagationregion athighmagnificationand d transientfractureregion 周疲劳断裂,裂纹源位于螺栓边缘螺纹根部的高应 力集中部位。

 1.5 拉伸性能和冲击性能

 按照 GB/T228.1-2010,在失效螺栓断口附近 沿轴向截取拉伸试样,标距尺寸为5 mm×5 mm, 在Instron5689型 万 能 试 验 机 上 进 行 室 温 拉 伸 试 验,应变速率为0.001s -1;依据 GB/T229-2007, 在失效螺栓断口附近沿轴向截取尺寸为10 mm× 10mm×5mm 的夏比冲击试样,在JB-300B 型摆 锤式冲击试验机上进行室温冲击试验。由表2可以 看出,失 效 螺 栓 的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 均 低 于 GB/T3077-2015 中 规 定 的 35CrMoA 钢 的 标 准 值,冲击吸收功高于标准值。由此可知,失效螺栓的 拉伸性能不符合标准要求。 表2 失效螺栓的力学性能 Table2 Mechanicalpropertiesofthefailedbolt 条件 抗拉强度/ MPa 屈服强度/ MPa 断后伸长 率/% 断面收缩 率/% 冲击吸收 功/J 试验值 955.6 832.2 19.22 61.5 117 标准值 ≥980 ≥835 ≥12 ≥45 ≥63 1.6 硬 度 按照 GB/T4342-1991,采用 HX-1000型显微 维氏硬度计对失效螺栓断口附近横截面边缘与中心 位置的硬度进行测试,载荷为9.80665N,不同区域 各测5个点取平均值。螺栓边缘与心部的平均硬度 分别为290.56,289.51HV。由于该螺栓为外购件, 在未知螺栓强度等级时,参考 GB/T3098.1-2010, 由断裂螺栓实测的抗拉强度,可判断该螺栓强度等 级不低于8.8级,维氏显微硬度应在255~355 HV 之间,因此硬度符合标准。

 2 断裂原因分析

 由上述理化检验结果可知,断裂螺栓具有典型 的疲劳断裂特征,属于疲劳断裂。该连接螺栓的显 微组织、拉伸性能均未满足35CrMoA 钢的技术要 求。连接螺栓螺纹根部存在高应力集中,并且在压 缩机工作过程中,缸体内气体压力的不断变化使得 螺栓受到的工作载荷也不断变化,这导致了螺纹根 部周向微裂纹的萌生。同时,在螺栓材料热处理过 程中,由于淬火冷却速率过小或者淬火介质冷却能 力低,螺栓组织为回火索氏体、上贝氏体和铁素体的 混合组织而不是均匀细小的回火索氏体组织,且中 心部位的显微组织较边缘的粗大;混合组织的存在 导致材料的力学性能降低[6-8],从而影响了螺栓的使 用寿命,同时也加速了微裂纹的扩展。综上所述,在 交变载荷作用下,微裂纹在螺栓螺纹根部高应力集 中区域萌生,非均匀的显微组织导致连接螺栓的力 学性能变差,加速疲劳裂纹扩展,最终连接螺栓发生 107 陆 颜,等:某氢气往复式压缩机连接螺栓的断裂原因 低应力高周疲劳断裂。 

3 结 论 

(1)该氢气压缩机连接螺栓的断裂性质为低应 力高周疲劳断裂。在交变载荷作用下,微裂纹在螺 栓螺纹根部高应力集中区域萌生,同时螺栓热处理 不当导致形成回火索氏体、上贝氏体和铁素体的混 合组织,造成螺栓的强度和硬度偏低,从而加速疲劳 裂纹扩展,最终连接螺栓发生疲劳断裂。 (2)为防止类似事故再次发生,应严格控制连 接螺栓的热处理工艺,获得均匀的回火索氏体组织; 优化螺栓的制造工艺,在投入使用前应严格检查螺 栓的表面质量;定期进行设备维护和保养,一旦发现 螺栓拧紧扭矩明显降低或者运行中存在松动等情 况,应及时整修。