压缩机缸盖螺栓断裂原因分析.pdf

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1、第39卷第2期化工机械237压缩机缸盖螺栓断裂原因分析路宝玺’尤兆宏(上海赛科石化股份有限责任公司)摘要针对某低温压缩机缸盖上多个螺栓发生断裂的情况，采用断口扫描电镜分析、理化检验及力学性能测试等方法分析了螺栓断裂的原因。结果表明：断口形貌表现为腐蚀疲劳的特征，疲劳裂纹的起源为弱酸性介质造成的螺纹根部缝隙腐蚀，缝隙腐蚀使螺纹根部沟槽变得尖锐，应力集中变失，在振动诈用下产生了腐蚀疲劳断裂。关键词压缩机螺栓断裂腐蚀疲劳缝隙腐蚀中圈分类号TQ051．21文献标识码B文章编号0254-6094(2012)02-0237-04某丙烯低温罐压缩机曲轴箱运行3年后发现一级缸大盖上24个螺栓中有若干个发生断裂

2、失效。螺栓制造标准为A193·B7M，材料为35CrMo钢，尺寸为M20mm×71ram。这些螺栓的断裂属于异常情况，分析其失效的具体原因对理解螺栓的断裂机理意义重大。：1化学成分、力学性能和硬度分析对其中的3根螺栓进行化学成分分析，分析结果见表1，化学成分符合A193-B7M中35CrMo钢的化学成分要求。表1螺栓的化学成分％采用标准的CharpyV型缺口冲击试样(1—23)在一46℃环境下进行冲击试验，试验结果见表2。冲击功的数值最低为125J，说明该材料韧性很好。表2—46℃时的冲击试验结果强号诤击功，l142125137表3分别列出了已断裂失效的螺栓、拆下后发现裂纹的螺栓的硬度，同时也

3、给出了标准·路宝玺，男，19,69年6月生，工程师。上海市，200237。A193．B7M所规定的硬度范围，发现其硬度都在标准规定的范围内。取两根断裂的螺栓进行拉伸试验，拉伸试验结果见表4，材料的拉伸性能符合A193．B7M的要求。表3螺栓硬度测试238化工机械2012拄表4断裂螺栓的拉伸试验项目屈服强度／MPa抗拉强度／MPa断后伸长率／％2螺栓断口分析2．1金相分析图1为螺栓的金相组织照片，从图中可以看出金相组织为回火索氏体组织，是低合金钢正常调质处理的组织。图1螺栓金相组织2．2宏观形貌从压缩机现场形貌来看，螺纹孔处流下很多液体。断裂螺栓的断口锈蚀严重，应该是裂纹缓慢扩展，并在扩展阶段接

4、触大气(含水)发生了锈蚀。另外双头螺纹的一侧发生了严重的腐蚀(图2)，腐蚀恰好在断裂一头螺纹上，有的螺纹牙高度已经腐蚀了一半，而另一头螺纹没有发现腐蚀现象。图2螺纹腐蚀情况图3为断口的宏观形貌，有明显的放射纹和贝壳纹，是疲劳断裂的特征。放射纹平行于裂纹扩展的方向，贝壳纹垂直于裂纹扩展的方向。从宏观上看，断口上绝大部分是裂纹扩展区，而最后瞬断区非常小，说明断裂的应力非常低，螺栓是在低应力下发生疲劳断裂的。图3断口的放射纹和贝壳纹2．3扫描电镜分析从宏观上看，螺栓断口为疲劳断裂，为进一步证实断裂的特征，找出疲劳裂纹的起源，对断口进行扫描电镜分析。图4～6为断口扫描电镜形貌。断口从螺纹根部起裂，有明

5、显的疲劳辉纹，是疲劳断裂的特征¨’“。螺纹根部的裂纹起源处放射纹细小，说明起裂应力低。从起裂位置处的形貌看，起裂位置有明显的腐蚀特征，螺纹根部形成腐蚀凹坑，并从这里形成裂纹。裂纹根部没有发现加工缺陷和材料夹杂物缺陷，但起裂处有明显的腐蚀坑，断口上近起裂区也有大量的腐蚀坑，裂纹扩展是在腐蚀介质中进行的，裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹，并伴有二次裂纹的出现，应为腐蚀疲劳。图4断口起裂位置第39卷第2期化工机械239图5螺纹根部螺纹起源处的腐蚀坑陡器'1_：l麟鬈_习图6疲劳辉纹并有二次裂纹3螺栓根部检查图7为腐蚀的螺栓根部宏观形貌，腐蚀后螺纹的根部变得很尖锐。图8、9分别为腐蚀的和未图7螺栓根部腐蚀宏

6、观形貌图8发生腐蚀的螺纹根部平剖面形貌图9未发生腐蚀的螺纹根部剖面形貌发生腐蚀的螺栓根部形貌，从图8所示的剖面图可以明显看出螺纹根部的腐蚀情况：腐蚀后螺纹根部变尖，并形成许多微小的腐蚀坑，而未腐蚀的螺纹根部非常圆滑。4讨论按理论疲劳寿命计算，如果没有其他影响因素，在该工况下螺栓不应该存在疲劳破坏。但事实上，气缸上的螺栓均存在不同程度的开裂，有的甚至已经疲劳失效。螺栓连接的疲劳破坏多发生在螺纹根部，此处极易形成疲劳源¨，，而从以上分析也可以看出，螺纹根部为断裂的起源，由于螺栓的螺纹采用滚压成型，不存在机械切削带来的缺陷。从螺栓的宏观形貌可以看出，螺栓存在严重的腐蚀现象，尤其在断口的起裂位置，可见

7、腐蚀是疲劳裂纹形成的主要原因。鉴于“螺栓螺纹底部腐蚀变尖”与“腐蚀疲劳会严重减少疲劳寿命，同时腐蚀疲劳不存在疲劳极限”这两点，从腐蚀疲劳的角度可以解释螺栓的断裂。4．1螺纹的缝隙腐蚀从图2可以发现螺纹头部出现严重的腐蚀现象。这是由于冷凝水从螺栓孔流入，而冷凝水含有弱酸性介质，在冷凝水长期作用下螺纹被腐蚀，但是，整个螺杆腐蚀并不严重，只有螺纹处腐蚀严重，这是由于存在缝隙而造成的，属于缝隙腐蚀。缝隙腐