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公司名稱：廣州市安普檢測技術(shù)服務(wù)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(xué)成分、力學(xué)性能及斷口的宏、微觀特征等進行了綜合分析，并結(jié)合壓縮機設(shè)計文件資料、運行狀態(tài)等，找出其斷裂的原因。結(jié)果表明，在交變載荷的長期作用下，緊固螺母與設(shè)備結(jié)合處螺栓的螺紋根部存在應(yīng)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(qū)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(dǎo)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(xué)成分及斷口形貌等進行綜合分析，并結(jié)合壓縮機設(shè)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(nèi)六角螺栓是應(yīng)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(yīng)為裂紋萌生區(qū)，較大的平面垂直于螺栓軸線，應(yīng)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(xué)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(xué)成分分析，結(jié)果表1所示，2個螺栓式樣的化學(xué)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(zhì)含量的超標及成分分布不均勻等因素導(dǎo)致的材料破壞。

2.4力學(xué)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(xué)性能表2所示，可以看出，該樣品力學(xué)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(jīng)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(diào)質(zhì)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(xué)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(yīng)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(shè)計平衡管連接采用內(nèi)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(yīng)提供柱狀雙頭螺栓。在所有其他外部連接上應(yīng)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(shù)條件》要求，螺栓按照JB/T4707規(guī)定應(yīng)該采用雙頭螺栓。因此螺栓的結(jié)構(gòu)形式選擇錯誤是導(dǎo)致其斷裂的本質(zhì)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(yīng)力集中現(xiàn)象，螺紋的底部由于截面積小，應(yīng)力較螺紋的頂部更高。當采用內(nèi)六角螺釘代替雙頭螺栓時，單頭緊固時更加容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

螺栓斷裂位置都在緊固螺母與設(shè)備結(jié)合處的螺紋上。這是因為擰緊螺母后，在螺栓上產(chǎn)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(yīng)力及彎曲應(yīng)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(chǎn)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(jié)論

（1）失效螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)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(nèi)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(shù)條件》要求，應(yīng)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(xué)術(shù)“，廣州市安普檢測技術(shù)服務(wù)有限公司僅用于服務(wù)項目。）

公司介紹：

廣州市安普檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，長期致力于為多領(lǐng)域客戶提供一站式檢測服務(wù)及完善的安普檢測解決方案，與幾大著名檢測機構(gòu)如ITS天祥集團、TUV南德認證、SGS通標都有長遠穩(wěn)定的合作關(guān)系，并獲得了相應(yīng)授權(quán)。安普檢測實驗室位于深圳，擁有CNAS與CMA資質(zhì)，設(shè)有多個設(shè)備先進和測試功能齊全的實驗室以及資質(zhì)齊全的無損檢測人員團隊，在倉儲貨架安全、無損探傷、焊接工藝評定、材料測試、精密尺寸測量等領(lǐng)域提供專業(yè)的檢測、檢驗及相關(guān)技術(shù)服務(wù)。尤其是在貨架安全檢驗檢查方面，積累了豐富的經(jīng)驗，為多個知名企業(yè)進行了貨架安全檢驗，排除隱患，協(xié)助企業(yè)形成自檢制度，提高運營安全性。尺寸測量以及逆向工程也是廣州安普的優(yōu)勢服務(wù)項目之一，技術(shù)團隊有著非常豐富的經(jīng)驗，設(shè)備精密，可以完成客戶所有關(guān)于尺寸方面的需求。