新氫壓縮機(jī)汽缸端蓋螺栓斷裂原因分析及建議措施

趙玉柱

（中國石油撫順石化公司，遼寧撫順113008）

2019年10月27 日，某石化公司2.0 Mt／a加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)（K102S）一級(jí)汽缸端蓋上的20根緊固螺栓有6根發(fā)生了斷裂，斷裂位置均在汽缸端蓋上螺栓與螺母配合的螺紋處。2015年，同一區(qū)域曾經(jīng)有2根緊固螺栓發(fā)生過類似斷裂。斷裂螺栓的規(guī)格為M34×215 mm，螺栓材質(zhì)不詳，其強(qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí)。新氫壓縮機(jī)電機(jī)功率為6 400 kW，轉(zhuǎn)速為300 r／min（壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速）。新氫壓縮機(jī)內(nèi)的介質(zhì)為純度99.99%的氫氣。正常情況下，新氫壓縮機(jī)（K102S）一級(jí)汽缸端蓋上的緊固螺栓是接觸不到壓縮機(jī)內(nèi)部的氫氣介質(zhì)的，也就是說，緊固螺栓所處環(huán)境為新氫壓縮機(jī)（K102S）外部的自然工業(yè)大氣環(huán)境。由于壓縮機(jī)運(yùn)行過程中其氣缸缸體的溫度會(huì)上升，估算螺栓的工作溫度為50～80℃。為了徹底查明原因，防止此類斷裂再次發(fā)生，對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了檢測分析。

1 檢測與分析

1.1 宏觀形貌觀察

由于斷裂螺栓的宏觀斷口形貌相似，因此選取一根斷裂螺栓進(jìn)行宏觀形貌觀察，其宏觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出：斷口處沒有明顯的塑性變形，斷口平坦呈瓷質(zhì)狀；斷口上也未發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡，螺栓斷裂的裂紋源均處于螺紋邊緣處，螺栓斷口具有疲勞斷裂的特征。

圖1 螺栓及其斷口宏觀形貌

1.2 成分分析

在螺栓上選取塊狀樣品，利用直讀光譜儀對(duì)其材質(zhì)的成分進(jìn)行檢測分析，結(jié)果表明，其材質(zhì)成分與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的40CrMnMo鋼標(biāo)準(zhǔn)成分相符，見表1。

表1 螺栓材質(zhì)成分分析結(jié)果 w，%

1.3 金相檢驗(yàn)與顯微硬度測試

在斷裂螺栓上切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、蝕刻，在金相顯微鏡下觀察分析，其橫截面金相組織見圖2。從圖2可以看出，螺栓橫截面金相組織均勻，為回火索氏體［1］。使用顯微硬度計(jì)測試螺栓硬度，螺栓橫截面的硬度值為328.5～334.8 HV（相當(dāng)于35.0～35.5 HRC）。

圖2 螺栓橫截面的金相組織

1.4 斷口的微觀形貌觀察

使用掃描電鏡對(duì)螺栓斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，其微觀形貌見圖3至圖5。從圖中可以看出：裂紋起源于螺紋部位螺牙的根部，斷口上未發(fā)現(xiàn)氧化及腐蝕產(chǎn)物；在螺栓斷口靠近裂紋源區(qū)域，可見因疲勞斷裂而產(chǎn)生的“輝紋線”及二次裂紋，與裂紋擴(kuò)展方向垂直（見圖3）；在螺栓斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)（斷口中心），仍可見疲勞斷裂的“輝紋線”和二次裂紋，該處斷口上仍然沒有氧化及腐蝕產(chǎn)物存在（見圖4）；在螺栓斷口的瞬斷區(qū)，可見拉長變形的韌窩微觀特征（見圖5）。

圖3 靠近裂紋源區(qū)的微觀形貌

圖4 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

2 結(jié)果與討論

對(duì)新氫壓縮機(jī)汽缸端蓋斷裂的緊固螺栓進(jìn)行了多項(xiàng)理化檢驗(yàn)分析，可以判斷螺栓的失效機(jī)理為疲勞斷裂。造成螺栓發(fā)生疲勞斷裂的主要因素是外部應(yīng)力載荷和振動(dòng)交變應(yīng)力的作用，螺栓自身結(jié)構(gòu)也對(duì)斷裂位置有很大影響。

（1）氣缸端蓋螺栓用于緊固壓縮機(jī)缸體與氣缸端蓋。當(dāng)緊固螺栓被擰緊后，螺栓自身會(huì)承受一定大小的拉應(yīng)力（預(yù)緊力）。受軸向拉應(yīng)力作用的螺栓發(fā)生破壞的位置主要有三處（見圖6）：①與螺母配合部分第一螺牙的根部；②螺栓頭與螺桿的過渡處；③螺紋與光桿部分的過渡區(qū)［2］。而且，與螺母配合部分的螺栓第一螺牙根部是承受拉應(yīng)力最大的地方，該部位承受著整個(gè)軸向載荷的34%（見圖7）。這次斷裂的6根螺栓及2015年斷裂的2根螺栓都在螺紋第一螺牙處開裂，這與螺栓各部位承受的載荷大小有關(guān)［3-4］。

（2）往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的間歇傳質(zhì)產(chǎn)生復(fù)雜的時(shí)變壓力波，即脈動(dòng)，脈動(dòng)的頻率和振幅受壓縮機(jī)運(yùn)行速度、系統(tǒng)溫度、氣體的熱力學(xué)性質(zhì)以及系統(tǒng)幾何形狀的影響。當(dāng)氣流脈動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)造成壓縮機(jī)機(jī)體及管道的強(qiáng)烈振動(dòng)，形成很強(qiáng)的交變載荷。當(dāng)這個(gè)交變載荷與螺栓自身受到的拉伸應(yīng)力超過螺栓本身的疲勞強(qiáng)度時(shí)，就容易在螺栓與螺母配合的第一螺牙根部萌生出疲勞微裂紋，一旦有疲勞微裂紋產(chǎn)生，在交變載荷的作用下就容易發(fā)展成宏觀疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，螺栓的有效承載能力會(huì)不斷減小，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，螺栓剩余的有效截面無法承受外部應(yīng)力載荷，螺栓就會(huì)發(fā)生瞬間完全斷裂而失效［5-6］。

圖6 螺栓各部位發(fā)生破壞的概率

圖7 緊固件各螺紋之間的載荷分布

（3）螺栓斷裂集中在氣缸端蓋上9點(diǎn)至12點(diǎn)的區(qū)域，說明這一區(qū)域的螺栓應(yīng)力集中程度或缸體振動(dòng)載荷要高于其他區(qū)域的螺栓。

（4）螺栓斷口上面積占比較大的是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，斷口平坦、光滑細(xì)膩呈瓷質(zhì)狀，表明這些螺栓受到的疲勞載荷水平不是很高，即疲勞應(yīng)力較小。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

（1）螺栓的材質(zhì)為中碳低合金鋼，其材質(zhì)化學(xué)成分符合40CrMnMo鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）螺栓的金相組織為回火索氏體，其硬度為328.5～334.8 HV（相當(dāng)于35.0～35.5 HRC）。

（3）螺栓的斷裂失效機(jī)理為疲勞斷裂。當(dāng)新氫壓縮機(jī)工作時(shí)，壓縮機(jī)汽缸內(nèi)的氣流脈動(dòng)及機(jī)器振動(dòng)使得缸蓋螺栓高頻振動(dòng)，緊固螺栓受到循環(huán)交變應(yīng)力作用；由于在螺栓第一螺牙處（即螺牙齒根）應(yīng)力最為集中，此處容易產(chǎn)生疲勞微裂紋；在交變應(yīng)力的作用下，疲勞微裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)螺栓因疲勞開裂而斷裂失效。

（4）當(dāng)新氫壓縮機(jī)汽缸端蓋上的20根螺栓中有一根斷裂后，與斷裂螺栓相鄰的其他螺栓所承受的載荷（靜拉應(yīng)力、交變應(yīng)力等）就會(huì)增加，從而使這些螺栓更容易發(fā)生疲勞斷裂，造成同一區(qū)域多根螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

3.2 建 議

（1）參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓縮機(jī)本體及管線的振動(dòng)進(jìn)行檢測。

（2）采取有效措施，如加固基礎(chǔ)、調(diào)整管線、增加緩沖罐容積等，減小壓縮機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)。

（3）安裝壓縮機(jī)氣缸端蓋螺栓時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的操作規(guī)程進(jìn)行，保證每個(gè)螺栓具有相同的預(yù)緊力，避免個(gè)別螺栓的預(yù)緊力過大或過小，防止個(gè)別螺栓產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞。