壓縮機缸蓋螺栓斷裂原因分析.pdf

《壓縮機缸蓋螺栓斷裂原因分析.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第39卷第2期化工機械237壓縮機缸蓋螺栓斷裂原因分析路寶璽’尤兆宏(上海賽科石化股份有限責(zé)任公司)摘要針對某低溫壓縮機缸蓋上多個螺栓發(fā)生斷裂的情況，采用斷口掃描電鏡分析、理化檢驗及力學(xué)性能測試等方法分析了螺栓斷裂的原因。結(jié)果表明：斷口形貌表現(xiàn)為腐蝕疲勞的特征，疲勞裂紋的起源為弱酸性介質(zhì)造成的螺紋根部縫隙腐蝕，縫隙腐蝕使螺紋根部溝槽變得尖銳，應(yīng)力集中變失，在振動詐用下產(chǎn)生了腐蝕疲勞斷裂。關(guān)鍵詞壓縮機螺栓斷裂腐蝕疲勞縫隙腐蝕中圈分類號TQ051．21文獻(xiàn)標(biāo)識碼B文章編號0254-6094(2012)02-0237-04某丙烯低溫罐壓縮機曲軸箱運行3年后發(fā)現(xiàn)一級缸大蓋上24個螺栓中有若干個發(fā)生斷裂

2、失效。螺栓制造標(biāo)準(zhǔn)為A193·B7M，材料為35CrMo鋼，尺寸為M20mm×71ram。這些螺栓的斷裂屬于異常情況，分析其失效的具體原因?qū)斫饴菟ǖ臄嗔褭C理意義重大。：1化學(xué)成分、力學(xué)性能和硬度分析對其中的3根螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1，化學(xué)成分符合A193-B7M中35CrMo鋼的化學(xué)成分要求。表1螺栓的化學(xué)成分％采用標(biāo)準(zhǔn)的CharpyV型缺口沖擊試樣(1—23)在一46℃環(huán)境下進(jìn)行沖擊試驗，試驗結(jié)果見表2。沖擊功的數(shù)值最低為125J，說明該材料韌性很好。表2—46℃時的沖擊試驗結(jié)果強號諍擊功，l142125137表3分別列出了已斷裂失效的螺栓、拆下后發(fā)現(xiàn)裂紋的螺栓的硬度，同時也

3、給出了標(biāo)準(zhǔn)·路寶璽，男，19,69年6月生，工程師。上海市，200237。A193．B7M所規(guī)定的硬度范圍，發(fā)現(xiàn)其硬度都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。取兩根斷裂的螺栓進(jìn)行拉伸試驗，拉伸試驗結(jié)果見表4，材料的拉伸性能符合A193．B7M的要求。表3螺栓硬度測試238化工機械2012拄表4斷裂螺栓的拉伸試驗項目屈服強度／MPa抗拉強度／MPa斷后伸長率／％2螺栓斷口分析2．1金相分析圖1為螺栓的金相組織照片，從圖中可以看出金相組織為回火索氏體組織，是低合金鋼正常調(diào)質(zhì)處理的組織。圖1螺栓金相組織2．2宏觀形貌從壓縮機現(xiàn)場形貌來看，螺紋孔處流下很多液體。斷裂螺栓的斷口銹蝕嚴(yán)重，應(yīng)該是裂紋緩慢擴(kuò)展，并在擴(kuò)展階段接

4、觸大氣(含水)發(fā)生了銹蝕。另外雙頭螺紋的一側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕(圖2)，腐蝕恰好在斷裂一頭螺紋上，有的螺紋牙高度已經(jīng)腐蝕了一半，而另一頭螺紋沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。圖2螺紋腐蝕情況圖3為斷口的宏觀形貌，有明顯的放射紋和貝殼紋，是疲勞斷裂的特征。放射紋平行于裂紋擴(kuò)展的方向，貝殼紋垂直于裂紋擴(kuò)展的方向。從宏觀上看，斷口上絕大部分是裂紋擴(kuò)展區(qū)，而最后瞬斷區(qū)非常小，說明斷裂的應(yīng)力非常低，螺栓是在低應(yīng)力下發(fā)生疲勞斷裂的。圖3斷口的放射紋和貝殼紋2．3掃描電鏡分析從宏觀上看，螺栓斷口為疲勞斷裂，為進(jìn)一步證實斷裂的特征，找出疲勞裂紋的起源，對斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。圖4～6為斷口掃描電鏡形貌。斷口從螺紋根部起裂，有明

5、顯的疲勞輝紋，是疲勞斷裂的特征¨’“。螺紋根部的裂紋起源處放射紋細(xì)小，說明起裂應(yīng)力低。從起裂位置處的形貌看，起裂位置有明顯的腐蝕特征，螺紋根部形成腐蝕凹坑，并從這里形成裂紋。裂紋根部沒有發(fā)現(xiàn)加工缺陷和材料夾雜物缺陷，但起裂處有明顯的腐蝕坑，斷口上近起裂區(qū)也有大量的腐蝕坑，裂紋擴(kuò)展是在腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行的，裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋，并伴有二次裂紋的出現(xiàn)，應(yīng)為腐蝕疲勞。圖4斷口起裂位置第39卷第2期化工機械239圖5螺紋根部螺紋起源處的腐蝕坑陡器'1_：l麟鬈_習(xí)圖6疲勞輝紋并有二次裂紋3螺栓根部檢查圖7為腐蝕的螺栓根部宏觀形貌，腐蝕后螺紋的根部變得很尖銳。圖8、9分別為腐蝕的和未圖7螺栓根部腐蝕宏

6、觀形貌圖8發(fā)生腐蝕的螺紋根部平剖面形貌圖9未發(fā)生腐蝕的螺紋根部剖面形貌發(fā)生腐蝕的螺栓根部形貌，從圖8所示的剖面圖可以明顯看出螺紋根部的腐蝕情況：腐蝕后螺紋根部變尖，并形成許多微小的腐蝕坑，而未腐蝕的螺紋根部非常圓滑。4討論按理論疲勞壽命計算，如果沒有其他影響因素，在該工況下螺栓不應(yīng)該存在疲勞破壞。但事實上，氣缸上的螺栓均存在不同程度的開裂，有的甚至已經(jīng)疲勞失效。螺栓連接的疲勞破壞多發(fā)生在螺紋根部，此處極易形成疲勞源¨，，而從以上分析也可以看出，螺紋根部為斷裂的起源，由于螺栓的螺紋采用滾壓成型，不存在機械切削帶來的缺陷。從螺栓的宏觀形貌可以看出，螺栓存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，尤其在斷口的起裂位置，可見

7、腐蝕是疲勞裂紋形成的主要原因。鑒于“螺栓螺紋底部腐蝕變尖”與“腐蝕疲勞會嚴(yán)重減少疲勞壽命，同時腐蝕疲勞不存在疲勞極限”這兩點，從腐蝕疲勞的角度可以解釋螺栓的斷裂。4．1螺紋的縫隙腐蝕從圖2可以發(fā)現(xiàn)螺紋頭部出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。這是由于冷凝水從螺栓孔流入，而冷凝水含有弱酸性介質(zhì)，在冷凝水長期作用下螺紋被腐蝕，但是，整個螺桿腐蝕并不嚴(yán)重，只有螺紋處腐蝕嚴(yán)重，這是由于存在縫隙而造成的，屬于縫隙腐蝕。縫隙腐