某氫氣往復式壓縮機連接螺栓的斷裂原因

陸 顏，談金祝，李 洋，王 超，羅盛華

(1.南京工業大學機械與動力工程學院，南京 211816；2.中國石油化工股份有限公司金陵分公司,南京 210033)

0 引 言

隨著科技的發展以及石化產品加工深度的不斷增加，氫氣往復式壓縮機在石油化工領域中的應用越來越廣泛[1-3]。在壓縮機工作時，在疲勞載荷以及較大靜載荷作用下，連接螺栓經常發生斷裂，導致壓縮機無法正常工作[4]，尤其是氫氣往復式壓縮機，其氣缸與接筒連接螺栓的斷裂會造成巨大的經濟損失，甚至會危及人身安全，因此螺栓的穩定工作對氫氣往復式壓縮機的安全可靠性至關重要[5]。某石化公司一臺氫氣往復式壓縮機在正常工作一段時間后，其進、排氣儲罐發生異常振動，經檢修發現該壓縮機第二列缸體與接筒的20根連接螺栓中有7根發生了斷裂，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，熱處理態為調質態。為找到該連接螺栓斷裂的原因，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

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，測得其短段長約25 mm，長段長約255 mm，螺栓斷口處的螺紋規格為M24。

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

1.2 化學成分

分別在斷口附近螺栓邊緣位置與中心位置選取2個點，采用SpectRoMAX型直讀光譜儀測定化學成分，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鋼的成分標準值，其余各元素含量均在標準范圍內。

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 失效螺栓的化學成分(質量分數)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，經過粗磨、細磨、拋光，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在Axio imagerAIM型光學顯微鏡下觀察螺栓橫截面的顯微組織。35CrMoA鋼的調質態組織應為均勻細小的回火索氏體。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到35CrMoA調質鋼的熱處理要求，即在熱處理過程中淬火冷卻速率過小或淬火介質冷卻能力低導致的。

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域的微觀形貌。由圖4可以看出：裂紋源區存在大量韌窩，呈韌性斷裂特征，同時在螺紋根部可觀察到周向微裂紋；裂紋擴展區存在多條放射性弧線，弧線收斂位置即為疲勞裂紋源；裂紋擴展區呈穿晶解理斷口形貌，斷裂性質為脆性斷裂，同時該區域還存在大量疲勞輝紋；瞬斷區存在大量韌窩，呈現韌性撕裂斷口形貌，斷裂性質為典型的韌性斷裂。由此可知，連接螺栓發生低應力高周疲勞斷裂，裂紋源位于螺栓邊緣螺紋根部的高應力集中部位。

圖4 失效螺栓斷口不同區域的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，標距尺寸為5 mmX5 mm,在Instron5689型萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，應變速率為0.001 s-1；依據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型擺錘式沖擊試驗機上進行室溫沖擊試驗。由表2可以看出，失效螺栓的抗拉強度和屈服強度均低于GB/T 3077-2015中規定的35CrMoA鋼的標準值，沖擊吸收功高于標準值。由此可知，失效螺栓的拉伸性能不符合標準要求。

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

1.6 硬 度

按照GB/T 4342-1991，采用HX-1000型顯微維氏硬度計對失效螺栓斷口附近橫截面邊緣與中心位置的硬度進行測試，載荷為9.806 65 N,不同區域各測5個點取平均值。螺栓邊緣與心部的平均硬度分別為290.56，289.51 HV。由于該螺栓為外購件，在未知螺栓強度等級時，參考GB/T 3098.1-2010，由斷裂螺栓實測的抗拉強度，可判斷該螺栓強度等級不低于8.8級，維氏顯微硬度應在255355 HV之間，因此硬度符合標準。

2 斷裂原因分析

由上述理化檢驗結果可知，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、拉伸性能均未滿足35CrMoA鋼的技術要求。連接螺栓螺紋根部存在高應力集中，并且在壓縮機工作過程中，缸體內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，這導致了螺紋根部周向微裂紋的萌生。同時，在螺栓材料熱處理過程中，由于淬火冷卻速率過小或者淬火介質冷卻能力低，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;混合組織的存在導致材料的力學性能降低[6-8]，從而影響了螺栓的使用壽命，同時也加速了微裂紋的擴展。綜上所述，在交變載荷作用下，微裂紋在螺栓螺紋根部高應力集中區域萌生，非均勻的顯微組織導致連接螺栓的力學性能變差，加速疲勞裂紋擴展，最終連接螺栓發生低應力高周疲勞斷裂。

3 結 論

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

(2) 為防止類似事故再次發生，應嚴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；優化螺栓的制造工藝，在投入使用前應嚴格檢查螺栓的表面質量；定期進行設備維護和保養，一旦發現螺栓擰緊扭矩明顯降低或者運行中存在松動等情況，應及時整修。