公司名稱：廣州市安普檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司

摘要：對(duì)斷裂的高壓天然氣壓縮機(jī)平衡管法蘭螺栓的金相組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能及斷口的宏、微觀特征等進(jìn)行了綜合分析，并結(jié)合壓縮機(jī)設(shè)計(jì)文件資料、運(yùn)行狀態(tài)等，找出其斷裂的原因。結(jié)果表明，在交變載荷的長(zhǎng)期作用下，緊固螺母與設(shè)備結(jié)合處螺栓的螺紋根部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使該部位成為裂紋源，最終螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

1 研究背景                 

某天然長(zhǎng)輸管道壓氣站壓縮機(jī)平衡氣管線與壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端端蓋連接法蘭緊固螺栓突然斷裂事故，管線崩脫變形，天然氣大量泄露，導(dǎo)致可燃?xì)獗O(jiān)測(cè)探頭報(bào)警，觸發(fā)控制系統(tǒng)致使壓縮機(jī)停機(jī)。圖1、圖2分別為壓縮機(jī)組平衡管外觀圖和連接螺栓斷裂后的法蘭外觀圖。外弄清斷裂的原因，從螺栓的金相組織、化學(xué)成分及斷口形貌等進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合壓縮機(jī)設(shè)計(jì)文件資料、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行了綜合分析。

2理化檢驗(yàn)與分析

2.1宏觀斷口分析

內(nèi)六角螺栓是應(yīng)用最廣的一類螺栓。其A級(jí)和B級(jí)螺栓用于重要的裝配精度要求高且能承受較大沖擊，振動(dòng)或交變載荷的場(chǎng)合。

圖3是斷裂螺栓的實(shí)物圖斷口形成兩個(gè)主平面，較小的平面起點(diǎn)為螺紋底部，呈半橢圓形，與螺栓斷面呈45度的夾角，面積約為10%，應(yīng)為裂紋萌生區(qū)，較大的平面垂直于螺栓軸線，應(yīng)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，未發(fā)現(xiàn)明顯瞬間區(qū)。圖4是斷裂螺栓斷口的宏觀形貌，螺栓斷口表面呈亮灰色，有較微弱金屬光澤，未見腐蝕痕跡，無明顯塑性變形，斷口平滑。

2.2微觀斷口分析

對(duì)裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)進(jìn)行了FEI Quanta 650FEG場(chǎng)掃描電子顯微鏡分析，圖5所示。發(fā)現(xiàn)斷口中存在多個(gè)裂紋源，有數(shù)條貝線紋，高倍觀察時(shí)有撕裂臺(tái)階，是典型的疲勞損傷破壞特征。對(duì)其中一個(gè)裂紋源放大1000倍觀察，斷口處呈現(xiàn)明顯的疲勞斷裂特征。

2.3化學(xué)成分

現(xiàn)場(chǎng)抽取已斷裂、未斷裂螺栓共2只樣品采用ICP等離子發(fā)射光譜儀、CS800碳硫分析儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表1所示，2個(gè)螺栓式樣的化學(xué)成分均符合JB/T4707-2000及GB/T3077-2015標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)35CRMOA鋼的成分要求，因此，不存在由于雜質(zhì)含量的超標(biāo)及成分分布不均勻等因素導(dǎo)致的材料破壞。

2.4力學(xué)性能

由于該螺栓受到周期性沖擊載荷，因此對(duì)抗沖擊性能要求較高，從斷裂試樣上截取1個(gè)沖擊試樣（試樣1）、同批次2個(gè)新螺栓上截取2個(gè)沖擊試樣（試樣2、試樣3）進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

對(duì)沖擊斷口的宏觀和微觀形貌進(jìn)行了檢驗(yàn)。可見，沖擊斷口的整個(gè)斷面較灰暗，呈現(xiàn)維狀，沖擊斷口形貌與斷裂螺栓斷口形貌完全不同，顯示韌性斷裂的特征，說明該材為延性材料，未發(fā)生脆性現(xiàn)象。

另外取樣進(jìn)行拉伸性能檢驗(yàn)，螺栓的力學(xué)性能表2所示，可以看出，該樣品力學(xué)性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5金相組織

截取螺栓的縱截面試驗(yàn)進(jìn)行金相分析。夾物含量較少。經(jīng)過4%的硝酸酒精溶液侵蝕后用OLYMPUS GX71金相顯微鏡觀察，金相組織為回火索氏體，為正常的調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織，晶粒度8級(jí)，圖6所示，螺紋底部未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象，這說明材料熱處理狀態(tài)正常。

3分析與討論

綜上知，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合35CRMOA鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織為回火索氏體，其沖擊性能與拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表明其熱處理工藝正常，材料性能符合要求，斷裂部位沒有明顯變形，該螺栓不是由于過載造成的。

對(duì)壓縮機(jī)供應(yīng)商提供的壓縮機(jī)推力平衡管裝配圖、推力平衡管材料清單報(bào)告、平衡管法蘭圖紙進(jìn)行審核發(fā)現(xiàn)，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)平衡管連接采用內(nèi)六角頭螺釘，而《AP1617離心壓縮機(jī)》第2.3.1.7.2條要求“在水平部分的機(jī)殼的主要連接面和徑向部分的機(jī)殼的螺栓連接的端蓋上，應(yīng)提供柱狀雙頭螺栓。在所有其他外部連接上應(yīng)使用柱狀雙頭螺栓替代有頭螺釘；JB/T4700-2000《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》要求，螺栓按照J(rèn)B/T4707規(guī)定應(yīng)該采用雙頭螺栓。因此螺栓的結(jié)構(gòu)形式選擇錯(cuò)誤是導(dǎo)致其斷裂的本質(zhì)因素。

螺紋的不連續(xù)形狀使螺紋的頂部和螺紋的底部部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，螺紋的底部由于截面積小，應(yīng)力較螺紋的頂部更高。當(dāng)采用內(nèi)六角螺釘代替雙頭螺栓時(shí)，單頭緊固時(shí)更加容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

螺栓斷裂位置都在緊固螺母與設(shè)備結(jié)合處的螺紋上。這是因?yàn)閿Q緊螺母后，在螺栓上產(chǎn)生的軸向拉力分布是不均勻的。第1扣螺紋牙承受的軸向力大，然后依次減少，另一方面，因?yàn)槁菟ㄅc螺母是間隙配合，在交變正應(yīng)力及彎曲應(yīng)力的組合作用下，使螺桿與螺母螺紋之間的接觸狀態(tài)在不同部位產(chǎn)生很大的區(qū)別，即使同一圈螺紋受到的載荷也不同，靠近進(jìn)氣閥部位受力大，所以該處易發(fā)生疲勞失效。

4、結(jié)論

（1）失效螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能以及金相組織都符合JB/T4707-2000標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）法蘭接頭選用內(nèi)六角螺釘，不符合《API617離心壓縮機(jī)》的規(guī)定以及JB/4700-2000《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》要求，應(yīng)選用雙頭螺栓。

（3）從材料的宏觀斷口和微觀分析，螺栓開裂是螺栓螺紋底部的疲勞失效而引起的。

 （以上信息摘抄“愛學(xué)術(shù)“，廣州市安普檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司僅用于服務(wù)項(xiàng)目。）

公司介紹：

廣州市安普檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，長(zhǎng)期致力于為多領(lǐng)域客戶提供一站式檢測(cè)服務(wù)及完善的安普檢測(cè)解決方案，與幾大著名檢測(cè)機(jī)構(gòu)如ITS天祥集團(tuán)、TUV南德認(rèn)證、SGS通標(biāo)都有長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定的合作關(guān)系，并獲得了相應(yīng)授權(quán)。安普檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室位于深圳，擁有CNAS與CMA資質(zhì)，設(shè)有多個(gè)設(shè)備先進(jìn)和測(cè)試功能齊全的實(shí)驗(yàn)室以及資質(zhì)齊全的無損檢測(cè)人員團(tuán)隊(duì)，在倉儲(chǔ)貨架安全、無損探傷、焊接工藝評(píng)定、材料測(cè)試、精密尺寸測(cè)量等領(lǐng)域提供專業(yè)的檢測(cè)、檢驗(yàn)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)。尤其是在貨架安全檢驗(yàn)檢查方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為多個(gè)知名企業(yè)進(jìn)行了貨架安全檢驗(yàn)，排除隱患，協(xié)助企業(yè)形成自檢制度，提高運(yùn)營(yíng)安全性。尺寸測(cè)量以及逆向工程也是廣州安普的優(yōu)勢(shì)服務(wù)項(xiàng)目之一，技術(shù)團(tuán)隊(duì)有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備精密，可以完成客戶所有關(guān)于尺寸方面的需求。