陸 顏，談金祝，李 洋，王 超，羅盛華

(1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816；2.中國(guó)石油化工股份有限公司金陵分公司,南京 210033)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展以及石化產(chǎn)品加工深度的不斷增加，氫氣往復(fù)式壓縮機(jī)在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。在壓縮機(jī)工作時(shí)，在疲勞載荷以及較大靜載荷作用下，連接螺栓經(jīng)常發(fā)生斷裂，導(dǎo)致壓縮機(jī)無(wú)法正常工作[4]，尤其是氫氣往復(fù)式壓縮機(jī)，其氣缸與接筒連接螺栓的斷裂會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)＜叭松戆踩虼寺菟ǖ姆€(wěn)定工作對(duì)氫氣往復(fù)式壓縮機(jī)的安全可靠性至關(guān)重要[5]。某石化公司一臺(tái)氫氣往復(fù)式壓縮機(jī)在正常工作一段時(shí)間后，其進(jìn)、排氣儲(chǔ)罐發(fā)生異常振動(dòng)，經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)第二列缸體與接筒的20根連接螺栓中有7根發(fā)生了斷裂，且斷裂位置均在螺栓與螺母旋合部分的第一扣或第二扣螺紋處，螺栓材料為35CrMoA鋼，熱處理態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)。為找到該連接螺栓斷裂的原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 斷口宏觀形貌

由于7根斷裂螺栓的整體及斷口宏觀形貌相似，因此選擇其中一根斷裂螺栓進(jìn)行形貌觀察。由圖1可以看出，該螺栓在螺紋處斷裂成兩段，測(cè)得其短段長(zhǎng)約25 mm，長(zhǎng)段長(zhǎng)約255 mm，螺栓斷口處的螺紋規(guī)格為M24。

由圖2可以看出，失效螺栓斷口呈凹杯狀，由裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。裂紋源位于螺栓螺紋根部過(guò)渡圓弧處，且具有多源性；裂紋擴(kuò)展區(qū)光滑平整，且面積較大，呈現(xiàn)脆性斷裂特征；瞬斷區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)間有較明顯的分界線，瞬斷區(qū)部分區(qū)域呈現(xiàn)撕裂特征。螺栓斷口中未觀察到明顯的塑性變形區(qū)域，說(shuō)明螺栓局部的應(yīng)力集中程度較大。由此可知，斷裂螺栓發(fā)生了疲勞斷裂。

1.2 化學(xué)成分

分別在斷口附近螺栓邊緣位置與中心位置選取2個(gè)點(diǎn)，采用SpectRoMAX型直讀光譜儀測(cè)定化學(xué)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/T 3077-2015中35CrMoA鋼的成分標(biāo)準(zhǔn)值，其余各元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖1 失效螺栓的整體宏觀形貌Fig.1 Overall macroscopic morphology of the failed bolt

圖2 失效螺栓斷口的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture of the failed bolt

表1 失效螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the failed bolt (mass fraction) %

1.3 顯微組織

采用線切割方法在螺栓斷口附近平行于斷裂面切割試樣，經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在Axio imagerAIM型光學(xué)顯微鏡下觀察螺栓橫截面的顯微組織。35CrMoA鋼的調(diào)質(zhì)態(tài)組織應(yīng)為均勻細(xì)小的回火索氏體。由圖3可以看出，螺栓橫截面不同位置的組織均為回火索氏體、上貝氏體和鐵素體的混合組織，且心部的組織較邊緣的粗大，這可能是由連接螺栓的熱處理工藝未完全達(dá)到35CrMoA調(diào)質(zhì)鋼的熱處理要求，即在熱處理過(guò)程中淬火冷卻速率過(guò)小或淬火介質(zhì)冷卻能力低導(dǎo)致的。

圖3 失效螺栓斷口附近橫截面不同位置的顯微組織Fig.3 Microstructures of different positions on cross section near fracture of the failed bolt: (a) edge; (b) core, at low magnification and (c) core, at high magnification

1.4 斷口微觀形貌

采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察失效螺栓斷口不同區(qū)域的微觀形貌。由圖4可以看出：裂紋源區(qū)存在大量韌窩，呈韌性斷裂特征，同時(shí)在螺紋根部可觀察到周向微裂紋；裂紋擴(kuò)展區(qū)存在多條放射性弧線，弧線收斂位置即為疲勞裂紋源；裂紋擴(kuò)展區(qū)呈穿晶解理斷口形貌，斷裂性質(zhì)為脆性斷裂，同時(shí)該區(qū)域還存在大量疲勞輝紋；瞬斷區(qū)存在大量韌窩，呈現(xiàn)韌性撕裂斷口形貌，斷裂性質(zhì)為典型的韌性斷裂。由此可知，連接螺栓發(fā)生低應(yīng)力高周疲勞斷裂，裂紋源位于螺栓邊緣螺紋根部的高應(yīng)力集中部位。

圖4 失效螺栓斷口不同區(qū)域的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of different regions on fracture of the failed bolt: (a) crack source region; (b) crack propagation region, at low magnification; (c) crack propagation region, at high magnification and (d) transient fracture region

1.5 拉伸性能和沖擊性能

按照GB/T 228.1-2010，在失效螺栓斷口附近沿軸向截取拉伸試樣，標(biāo)距尺寸為5 mmX5 mm,在Instron5689型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為0.001 s-1；依據(jù)GB/T 229-2007，在失效螺栓斷口附近沿軸向截取尺寸為10 mmX10 mmX5 mm的夏比沖擊試樣，在JB-300B型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。由表2可以看出，失效螺栓的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于GB/T 3077-2015中規(guī)定的35CrMoA鋼的標(biāo)準(zhǔn)值，沖擊吸收功高于標(biāo)準(zhǔn)值。由此可知，失效螺栓的拉伸性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 失效螺栓的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the failed bolt

1.6 硬 度

按照GB/T 4342-1991，采用HX-1000型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)失效螺栓斷口附近橫截面邊緣與中心位置的硬度進(jìn)行測(cè)試，載荷為9.806 65 N,不同區(qū)域各測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。螺栓邊緣與心部的平均硬度分別為290.56，289.51 HV。由于該螺栓為外購(gòu)件，在未知螺栓強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，參考GB/T 3098.1-2010，由斷裂螺栓實(shí)測(cè)的抗拉強(qiáng)度，可判斷該螺栓強(qiáng)度等級(jí)不低于8.8級(jí)，維氏顯微硬度應(yīng)在255355 HV之間，因此硬度符合標(biāo)準(zhǔn)。

2 斷裂原因分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂螺栓具有典型的疲勞斷裂特征，屬于疲勞斷裂。該連接螺栓的顯微組織、拉伸性能均未滿(mǎn)足35CrMoA鋼的技術(shù)要求。連接螺栓螺紋根部存在高應(yīng)力集中，并且在壓縮機(jī)工作過(guò)程中，缸體內(nèi)氣體壓力的不斷變化使得螺栓受到的工作載荷也不斷變化，這導(dǎo)致了螺紋根部周向微裂紋的萌生。同時(shí)，在螺栓材料熱處理過(guò)程中，由于淬火冷卻速率過(guò)小或者淬火介質(zhì)冷卻能力低，螺栓組織為回火索氏體、上貝氏體和鐵素體的混合組織而不是均勻細(xì)小的回火索氏體組織，且中心部位的顯微組織較邊緣的粗大;混合組織的存在導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低[6-8]，從而影響了螺栓的使用壽命，同時(shí)也加速了微裂紋的擴(kuò)展。綜上所述，在交變載荷作用下，微裂紋在螺栓螺紋根部高應(yīng)力集中區(qū)域萌生，非均勻的顯微組織導(dǎo)致連接螺栓的力學(xué)性能變差，加速疲勞裂紋擴(kuò)展，最終連接螺栓發(fā)生低應(yīng)力高周疲勞斷裂。

3 結(jié) 論

(1) 該氫氣壓縮機(jī)連接螺栓的斷裂性質(zhì)為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。在交變載荷作用下，微裂紋在螺栓螺紋根部高應(yīng)力集中區(qū)域萌生，同時(shí)螺栓熱處理不當(dāng)導(dǎo)致形成回火索氏體、上貝氏體和鐵素體的混合組織，造成螺栓的強(qiáng)度和硬度偏低，從而加速疲勞裂紋擴(kuò)展，最終連接螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

(2) 為防止類(lèi)似事故再次發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格控制連接螺栓的熱處理工藝，獲得均勻的回火索氏體組織；優(yōu)化螺栓的制造工藝，在投入使用前應(yīng)嚴(yán)格檢查螺栓的表面質(zhì)量；定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)螺栓擰緊扭矩明顯降低或者運(yùn)行中存在松動(dòng)等情況，應(yīng)及時(shí)整修。