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公司名稱：廣州市安普檢測技術服務有限公司

摘要：對斷裂的高壓天然氣壓縮機平衡管法蘭螺栓的金相組織、化學成分、力學性能及斷口的宏、微觀特征等進行了綜合分析，并結合壓縮機設計文件資料、運行狀態(tài)等，找出其斷裂的原因。結果表明，在交變載荷的長期作用下，緊固螺母與設備結合處螺栓的螺紋根部存在應力集中現(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

某天然長輸管道壓氣站壓縮機平衡氣管線與壓縮機驅動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，導致可燃氣監(jiān)測探頭報警，觸發(fā)控制系統(tǒng)致使壓縮機停機。圖1、圖2分別為壓縮機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、化學成分及斷口形貌等進行綜合分析，并結合壓縮機設計文件資料、運行狀態(tài)等進行了綜合分析。

2理化檢驗與分析

2.1宏觀斷口分析

內六角螺栓是應用最廣的一類螺栓。其A級和B級螺栓用于重要的裝配精度要求高且能承受較大沖擊，振動或交變載荷的場合。

圖3是斷裂螺栓的實物圖斷口形成兩個主平面，較小的平面起點為螺紋底部，呈半橢圓形，與螺栓斷面呈45度的夾角，面積約為10%，應為裂紋萌生區(qū)，較大的平面垂直于螺栓軸線，應為裂紋擴展區(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

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

2.3化學成分

現(xiàn)場抽取已斷裂、未斷裂螺栓共2只樣品采用ICP等離子發(fā)射光譜儀、CS800碳硫分析儀對其進行化學成分分析，結果表1所示，2個螺栓式樣的化學成分均符合JB/T4707-2000及GB/T3077-2015標準中對35CRMOA鋼的成分要求，因此，不存在由于雜質含量的超標及成分分布不均勻等因素導致的材料破壞。

2.4力學性能

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

對沖擊斷口的宏觀和微觀形貌進行了檢驗�？梢�，沖擊斷口的整個斷面較灰暗，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。

另外取樣進行拉伸性能檢驗，螺栓的力學性能表2所示，可以看出，該樣品力學性能完全符合標準要求。

2.5金相組織

截取螺栓的縱截面試驗進行金相分析。夾物含量較少。經過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，為正常的調質狀態(tài)組織，晶粒度8級，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，斷裂螺栓的化學成分符合35CRMOA鋼的標準要求，金相組織為回火索氏體，其沖擊性能與拉伸性能均符合標準要求，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。

對壓縮機供應商提供的壓縮機推力平衡管裝配圖、推力平衡管材料清單報告、平衡管法蘭圖紙進行審核發(fā)現(xiàn)，圖紙設計平衡管連接采用內六角頭螺釘，而《AP1617離心壓縮機》第2.3.1.7.2條要求“在水平部分的機殼的主要連接面和徑向部分的機殼的螺栓連接的端蓋上，應提供柱狀雙頭螺栓。在所有其他外部連接上應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條件》要求，螺栓按照JB/T4707規(guī)定應該采用雙頭螺栓。因此螺栓的結構形式選擇錯誤是導致其斷裂的本質因素。

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力集中現(xiàn)象，螺紋的底部由于截面積小，應力較螺紋的頂部更高。當采用內六角螺釘代替雙頭螺栓時，單頭緊固時更加容易產生應力集中。

螺栓斷裂位置都在緊固螺母與設備結合處的螺紋上。這是因為擰緊螺母后，在螺栓上產生的軸向拉力分布是不均勻的。第一扣螺紋牙承受的軸向力最大，然后依次減少，另一方面，因為螺栓與螺母是間隙配合，在交變正應力及彎曲應力的組合作用下，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，靠近進氣閥部位受力最大，所以該處易發(fā)生疲勞失效。

4、結論

（1）失效螺栓的化學成分、力學性能以及金相組織都符合JB/T4707-2000標準要求。

（2）法蘭接頭選用內六角螺釘，不符合《API617離心壓縮機》的規(guī)定以及JB/4700-2000《壓力容器法蘭分類與技術條件》要求，應選用雙頭螺栓。

（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“愛學術“，廣州市安普檢測技術服務有限公司僅用于服務項目。）

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