新氫壓縮機缸蓋螺栓斷裂機理及對策

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(華東理工大學(xué),上海 200237)

失效分析

新氫壓縮機缸蓋螺栓斷裂機理及對策

宋嘯虹,蔣曉東,董雷云,施哲雄

(華東理工大學(xué),上海 200237)

某企業(yè)新氫壓縮機組一級缸端蓋螺栓發(fā)生斷裂。結(jié)合螺紋加工工藝，對螺栓斷口宏觀形貌、材料化學(xué)成分、顯微組織、微觀形貌等展開分析。結(jié)果表明:螺栓材料內(nèi)部和螺紋加工面夾雜較多，在冷滾壓加工過程中導(dǎo)致螺紋加工表面產(chǎn)生開裂，齒根處微裂紋在交變作用力下引起疲勞裂紋擴展，最終導(dǎo)致整個螺栓斷裂。

新氫壓縮機；螺栓；斷口；非金屬夾雜；疲勞斷裂

某企業(yè)新氫壓縮機組僅運行了七個月時間，發(fā)現(xiàn)機組一級缸端蓋一根螺栓發(fā)生斷裂。壓縮機組一級缸操作溫度為120 ℃，操作壓力為5.0 MPa，介質(zhì)為氫氣，螺栓材料為42CrMo。為查明螺栓斷裂機理，預(yù)防類似事件再次發(fā)生，現(xiàn)對螺栓斷口宏觀形貌、材料化學(xué)成分、金相組織、微觀形貌等進行分析。

1 理化檢驗

1.1 斷口宏觀形貌

由圖1可見:起裂發(fā)生在螺栓右側(cè)齒根部位，向螺栓內(nèi)部擴展，整個斷口較為平整光滑，斷口呈現(xiàn)裂紋擴展過程中形成的臺階，斷口中間和左側(cè)局部區(qū)域為最后瞬時拉斷區(qū)，瞬斷區(qū)所占比例較小，說明螺栓所受載荷水平不是很高，近斷口周圍沒有產(chǎn)生塑性變形，該斷口為脆性斷口。結(jié)合斷口宏觀形貌和實際工作中壓縮機的往復(fù)運動對缸蓋螺栓造成高頻振動，可以推測缸蓋螺栓在交變作用載荷下發(fā)生疲勞斷裂。

圖1 缸蓋螺栓斷口宏觀形貌Fig. 1 Macro morphology of the cylinder cover bolt

1.2 化學(xué)成分

為了確認現(xiàn)場所用缸蓋螺栓是否與原設(shè)計相同，對斷裂和未斷裂螺栓進行切塊取樣，使用光譜儀進行化學(xué)成分分析，并與GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中42CrMo鋼標準進行，結(jié)果見表1。

表1 缸蓋螺栓材料的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of the cylinder cover bolts %

由表1可見:現(xiàn)場所用螺栓材料與原設(shè)計相符，除錳含量略高于標準外，其余化學(xué)成分均滿足標準要求。

1.3 顯微組織

沿斷裂螺栓縱截面剖開取樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐蝕后通過光學(xué)顯微鏡觀察材料的組織(圖略)。結(jié)果表明：螺栓材料組織為回火索氏體+鐵素體[1]，材料熱處理組織正常，但材料內(nèi)部含有較多的夾雜物。

由圖2可見:螺栓材料內(nèi)部存在較多密集型圓點狀夾雜物和條狀夾雜物，按照夾雜形貌,據(jù)經(jīng)驗推斷圓點狀夾雜為氧化物夾雜，條狀夾雜為硫化錳夾雜。

圖2 未侵蝕拋光態(tài)螺栓縱截面金相照片F(xiàn)ig. 2 Bolt vertical cross-section photo in unetched polishing state

由圖3可見:螺栓齒頂和齒根部位具有強烈的塑性變形，造成該區(qū)域的組織明顯呈纖維狀變形流線組織,其組織沿齒頂兩側(cè)和齒根輪廓線呈纖維狀發(fā)布。從該特征可以判斷該螺栓在加工螺紋時所用的方法是螺紋冷滾壓加工工藝，另外在齒頂局部放大區(qū)域可以觀察到齒頂存在細小的裂紋開裂情況。因此，有必要探討螺紋的加工工藝以明確微裂紋是如何產(chǎn)生的以及它與疲勞裂紋萌生及擴展有何關(guān)聯(lián)。

圖3 齒頂局部區(qū)域裂紋開裂形貌Fig. 3 Morphology of cracking initiation in local region of the tooth top

1.4 螺紋加工工藝

螺紋滾壓加工是利用金屬材料在常溫下的可塑性來進行的。將兩個齒形參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的一對滾絲輪分別安裝在兩個作同步同方向旋轉(zhuǎn)的主軸上，在滾齒壓力F的作用下,滾輪徑向進給擠住工件，并帶動工件旋轉(zhuǎn)(見圖4)。當(dāng)滾壓力F足夠大時，滾絲輪克服工件材料的變形抗力使坯件產(chǎn)生塑性變形，齒根部的材料變形流向齒頂，各晶粒均沿變形方向延伸和扭曲。隨著滾壓過程的進行，坯件材料沿滾絲輪牙形側(cè)面流動，逐步充滿齒槽形成完整的螺紋齒形加工。滾絲輪與工件接觸處的晶粒變形及拉伸程度最大，距表層越深晶粒變形越小，變形軌跡如圖5所示，這與螺紋上的纖維狀組織是一致的。

圖4 螺紋成形過程Fig. 4 Forming process of thread

圖5 滾壓成形后螺紋內(nèi)部金屬纖維分布圖Fig. 5 Metal fibre distribution in screw thread after rolled forming

螺紋滾壓加工工藝可保證螺紋的質(zhì)量精度，且消耗低、效率高。但是在齒頂和齒根以及齒的輪廓表面隨著塑性變形的發(fā)展，晶粒破碎和位錯密度增加[2]，金屬材料塑性變形抗力迅速加大，從而使材料硬度和強度顯著提高，而塑性和韌性下降，在螺紋齒頂和齒根部位產(chǎn)生所謂的“加工硬化”現(xiàn)象，使該部位存在較大的殘余變形壓應(yīng)力，材料脆性增加，對缺口敏感性增大。

從圖3可觀察到齒頂處存在較多夾雜，考慮到齒頂在服役狀態(tài)下承受的作用力較小，但從金相組織圖中仍可看到齒頂處有較多微裂紋，且微裂紋擴展沿滾壓加工時產(chǎn)生的塑性變形纖維組織方向，可得出齒頂裂紋的產(chǎn)生是由于滾壓加工螺紋時容易變形的金屬和不易變形的非金屬脆性夾雜物之間形成交界面，在壓應(yīng)力作用下開裂所導(dǎo)致。可推論，齒根在服役過程中承受較大交變作用力，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒根部位在加工過程中由于夾雜產(chǎn)生的微裂紋相比于齒頂將更容易導(dǎo)致裂紋擴展，最終發(fā)生斷裂。

1.5 微觀形貌分析

螺栓斷口進行微觀形貌分析結(jié)果見圖6～12。

圖6 齒頂裂紋開裂形貌Fig. 6 Morphology of cracking initiation on the tooth top

圖7 螺紋加工表面開裂形貌Fig. 7 Morphology of cracking initiation on thread surface

圖8 起裂區(qū)與螺紋加工表面交界處形貌Fig. 8 Morphology of the border of crack initiation zone and thread surfaces

圖9 齒根近斷口夾雜開裂形貌Fig. 9 Morphology of cracking initiation on thread surface

圖10 裂紋起裂區(qū)形貌Fig. 10 Morphology of cracking initiation zone

圖11 裂紋擴展區(qū)形貌Fig. 11 Morphology of cracking growth zone

圖12 裂紋擴展區(qū)疲勞輝紋形貌Fig. 12 Morphology of fatigue striation in cracking growth zone

由圖6～12可見:齒頂下部有多條明顯的微裂紋，齒頂有明顯的塑性變形產(chǎn)生的滑移線，裂紋呈塑性開裂特征，且材料內(nèi)部存在較多的夾雜缺陷;沿裂紋擴展路徑，可以進一步判斷螺紋加工表面微裂紋是由夾雜引起的脆性開裂;齒根部位裂紋開裂明顯，斷口裂紋起裂形貌平整，可判斷斷口裂紋為脆性開裂，同時可觀察到起裂區(qū)塑性變形流線特征。圖9中，可明顯觀察到裂紋開裂處含較多夾雜，進一步驗證了前文關(guān)于斷口夾雜起裂的論述。圖10和圖11為斷口起裂區(qū)與擴展區(qū)形貌，在擴展區(qū)可初步觀察到疲勞特征，從圖12中能明顯觀察到在裂紋擴展區(qū)疲勞輝紋[3]的存在，可進一步判斷裂紋為疲勞裂紋。從上述微觀形貌分析可進一步證實螺栓加工表面存在夾雜開裂現(xiàn)象，齒根部位由于應(yīng)力集中明顯，且受振動引起的交變作用力影響，齒根處微裂紋發(fā)生進一步疲勞擴展，最終導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂，與宏觀斷口觀察結(jié)果一致。

2 斷裂原因分析

斷裂螺栓材質(zhì)為42CrMo，經(jīng)分析其化學(xué)成分與原設(shè)計一致，材料組織為回火索氏體+鐵素體，組織正常，但材料內(nèi)部含有較多的圓點狀和條狀夾雜，主要以氧化物和硫化錳夾雜為主。

滾壓加工螺紋過程中，坯件材料沿滾絲輪牙形側(cè)面向齒頂方向滾動，由于齒頂兩側(cè)的塑性變形方向不一致，最后導(dǎo)致齒頂中心部位形成兩個不同方向的塑性流動變形交界面，在此交界面上造成晶粒嚴重扭曲和破碎以及位錯劇增。另外在加工過程中將造成齒頂、齒根部位材料“加工硬化”現(xiàn)象，使材料脆性增加，對缺口的敏感性加大。由于螺栓材料內(nèi)部和螺紋加工表面存在較多的點狀和條狀非金屬夾雜，在滾壓加工螺紋時必然造成容易變形的金屬和不易變形的非金屬脆性夾雜物之間形成交界面，在壓應(yīng)力作用下造成開裂，故可觀察到螺紋加工表面存在許多微裂紋，且沿滾壓加工時產(chǎn)生的塑性變形纖維組織狀方向擴展。

由于氫氣壓縮機的往復(fù)運動對缸蓋螺栓造成高頻振動，螺栓服役時主要受循環(huán)的交變應(yīng)力作用。齒根在服役過程中承受較大交變作用力，齒根微裂紋在交變作用力下發(fā)生進一步疲勞擴展，最終導(dǎo)致整個螺栓斷裂，斷口呈脆性疲勞斷口特征。

3 結(jié)論與對策

本次螺紋斷裂的原因是螺栓材料夾雜較多，冷滾壓加工過程中導(dǎo)致螺紋加工表面存在微裂紋，齒根處微裂紋在交變作用力下引起疲勞擴展，最終導(dǎo)致整個螺栓斷裂，為此提出以下幾點建議：

(1) 訂購螺栓時應(yīng)控制材料內(nèi)部夾雜，供貨后應(yīng)進行金相檢查不得有裂紋存在，含夾雜多的材料不適合采用滾壓加工工藝。

(2) 該企業(yè)同批次生產(chǎn)的螺栓尚在使用過程中，為防止類似事情再發(fā)生，建議及時更換同一批次生產(chǎn)的螺栓。

[1] 任頌贊,張靜江,陳質(zhì)如,等. 鋼鐵金相圖譜[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

[2] 宋歡,李永堂,齊會萍,等. 螺紋冷滾壓和切削加工的金屬組織變形研究[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù),2010,45(3):58-61.

[3] 鐘群鵬,趙子華. 斷口學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

FractureMechanismandCountermeasureofCylinderCoverBoltinaMake-upHydrogenCompressor

SONG Xiaohong, JIANG Xiaodong, DONG leiyun, SHI Zhexiong

(East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

The cylinder cover bolt of a make-up hydrogen compressor in an enterprise suddenly fractured. Combined with the thread processing technology, a series of analyses were conducted on the cracked bolt, including macro morphology observation, chemical composition analyses, microstructural examination and micro morphology observation. The results showed that, due to the large number of inclusions inside the bolt material and thread surface, microcracks on the thread surface were generated during the thread machining process. The bolt final fracture was due fatigue extension of microcracks in root to caused by alternate stress.

make-up hydrogen compressor; blot; fracture; nonmetal inclusion; fatigue fracture

10.11973/fsyfh-201711016

2016-03-30

蔣曉東(1960-)，副教授，從事特種設(shè)備安全保障技術(shù)和失效分析技術(shù)的研究及工程應(yīng)用，13901863318,Jxd@ecust.edu.cn

TG174

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1005-748X(2017)11-0894-04