氢气压缩机缸盖螺栓断裂失效分析
氢气压缩机缸盖螺栓断裂失效分析
摘要：某石化公司氢气压缩机缸盖螺栓发生断裂，采用宏、微观断口分析、化学成分分析、金相检验以及力学性能测试等试验手段分析了该氢气压缩机缸盖螺栓的断裂原因。结果表明：断裂起源于螺杆与螺栓头部；连接螺纹末端的应力集中处，由于应力集中，加之螺栓强度等级偏低，使螺栓在长期工作过程中的往复交变应力和扭转应力共同作用下发生了低应力高周断裂。
关键词：氢气压缩机；缸盖螺栓；低应力高周疲劳断裂；强度
中图分类号：th45 文献标志码：b 文章编号：1001-4012(2012)02-0134-03
failure analysis on fracture of hydrogen compressor cylinder head bolts
wen jiang-ping；shi hong-qi；ding yi；ma li-qun
(college of materials science and engineering，nanjing university of technology，nanjing 210009，china)
abstract：fracture of hydrogen compressor cylinder head bolts happened in a petrochemical company，and the fracture reasons were analyzed by means of macro and micro fracture analysis，chemical compositions analysis，microstructure examination，and tensile and impact test. the results indicate that the fracture originated at the threaded end of connection of the screw head and bolt where the stress was concentration. because the stress concentration，coupled with the low grade of bolt strength，the low stress high cycle fatigue fracture occurred for the cylinder head bolts under the long term coaction of reciprocating alternating stress and torsion stress.
keywords：hydrogen compressor；cylinder head bolt；low stress high cycle fatigue fracture；strength
某石化公司重整车间增压氢气压缩机，连续使用月4a后，巡检时发现一段缸缸盖有6只螺栓发生断裂。该一段缸缸盖共使用16只螺栓紧固，均采用规格为m16mm?130mm的进口40cr钢六角螺栓，螺栓直径为f20mm。压缩机工况介质为氢气和0烃，压缩机工作压力和温度见表1。螺栓在服役过程中发生断裂，严重影响了设备的安全运转。为查明螺栓断裂原因，以便采取有效对策，避免今后类似事故的再发生，笔者对断裂的缸盖螺栓进行了检验和分析。
表 1 有时间工作应力和温度
tab. 1 work pressure and temperature of the compressor
部位
吸入压力/mpa
排出压力/mpa
吸入温度/℃
排出温度/℃
一段
0.721
2.232
38
<137
二段
2.112
6.253
38
<137
1. 理化检验
1.1. 宏观断口分析
6只断裂缸盖螺栓的断口形貌相似，图1为典型的螺栓断口宏观形貌。由图1可见，断裂发生在螺栓杆部与螺栓头部支撑平面约呈45?角位置，断口底部表面光亮平整，疲劳断口所*的贝壳状花纹清晰可见，并在螺栓头部凹坑心部附近汇合，表明裂纹源位于螺栓圆周部位，且具有多源性。多源疲劳的裂纹扩展区，在不同平面间连接处形成疲劳台阶或折纹[1]。终断裂区位于螺栓头部，凹坑底部呈s状特征，仔细观察螺栓头部的支撑平面上，有明显的微振斑痕。
图 1 断裂缸盖螺栓断口宏观形貌
fig. 1 macrograph of fracture of the cylinder head bolt
1.2. 化学成分分析
在断裂缸盖老师的断口附近取样，使用光谱仪进行化学成分分析。由表2可见，螺栓的铬含量为1.51%，略高于gb/t3077-1999对40cr钢的技术要求，其余各元素含量均在标准要求范围内，可以确定断裂缸盖螺栓材料为40cr钢。
表 2 断裂缸盖螺栓的化学成分（质量分数）
tab. 2 chemical compositions of the fractured cylinder head bolt(mass) %
条件
c
cr
si
mn
s
p
实测值
0.42
1.51
0.21
0.53
0.012
0.013
标准值
0.37~0.44
0.80~1.10
0.17~0.37
0.50~0.80
≤0.035
≤0.035
铬为缩小奥氏体g相区元素，降低由奥氏体到铁素体的相变驱动dgg®a，也降低相变时碳化物的形核长大，提高钢的淬透性，并能在回火时阻止m3c型碳化物长大，提高回火稳定性。40cr钢与40钢相比，回火到相同硬度时，回火温度可提高30~40℃[2]。因此，40cr钢螺栓中铬元素含量略微偏高，对螺栓的各项性能并无不利影响。
1.3. 金相检验及显微硬度测试
从断裂缸盖螺栓上截取剖面试样，经磨抛和4%（体积分数）硝酸酒精溶液侵蚀后，在光学显微镜下进行显微组织观察。图2 为断裂螺栓的显微组织形貌，为回火索氏体，渗碳体以细小颗粒状均匀分布于铁素体基体中，表明螺栓材料回火比较充分，调质处理效果良好。
图 2 断裂缸盖螺栓的显微组织形貌
fig. 2 microsructure of the fractured cylinder head bolt
对断裂缸盖螺栓使用显微硬度计进行显微硬度测试，结果约为387hv0.2。
1.4. 微观断口分析
图3和图4为断裂缸盖螺栓断口的sem形貌。由图3可以看出，断口在形成过程中两个相对断口的相互摩擦比较严重，早期形成的疲劳断口表面由于长期遭受渗入介质的腐蚀破坏，一般浅表面的疲劳辉纹已难以保留，只有较深层部位的疲劳辉纹依稀可见，疲劳辉纹间距在1~2µm，具有典型的高周疲劳断口特征[3]，见图4。
图 3 缸盖螺栓断口sem形貌
fig. 3 sem morphology of fracture of the cyinder head bolt
图 4 缸盖螺栓疲劳辉纹sem形貌
fig. 4 sem morphology of fatigue striations of the cyinder head bolt
1.1. 力学性能测试
在断裂缸盖螺栓的杆部各取3个拉伸试样和3个冲击试样，分别在微控电子万能试验机和冲击试验机上进行室温拉伸和冲击试验，试验结果取3试样的平均值。从表3可以看出，断裂缸盖螺栓材料的拉伸和冲击性能指标均达到了gb/t3077-1999规定的40cr钢调质处理后的力学性能要求。其中抗拉强度处于指标下限，塑性和韧性则高于指标要求。由于螺栓材料本身强度不高，仅仅满足标准下限要求，因而在长期的往复交变应力和扭转应力作用下，螺栓很容易在应力集中处发生疲劳断裂。
表 3 断裂缸盖螺栓的力学性能
条件
抗拉强度/mpa
断后伸长率/%
断面收缩率/%
冲击吸收功/j
实测值
990
17.7
58.9
129
标准值
≥980
≥9
≥45
≥47
图5为螺栓拉伸试样断口sem形貌。由图5可见，拉伸试样断口形貌具有典型的微孔聚集型塑型断口特征，韧窝细小且分布均匀，表明螺栓材料具有良好的塑性[4]。
图 5 缸盖螺栓拉伸试样断口sem形貌
fig. 5 sem morphology of tensile specimen fracture of the cylinder head bolt
2. 综合分析
缸盖螺栓断口宏观形貌上所见的贝壳状花纹又称“沙滩花样”或“海滩条带”，是低应力高周疲劳断口的典型特征[1]。微振斑的出现，与螺栓的拧紧轴向力不足，或螺栓强度偏低在长期工况下轴向力松弛有关。由金相检验结果可知，断裂螺栓材料经调质处理。由于该螺栓系进口件，在尚不清楚螺栓强度等级的情况下，参照国内相关标准gb/t3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》，断裂螺栓的实测维氏显微硬度约为387hv0.2，相当于40.5hrc，说明该螺栓强度等级应不低于10.9级（≥1 040mpa）。但实测抗拉强度数据显示，该螺栓的强度等级略低于10.9级。
在缸盖螺栓服役过程中，氢气压缩机的往复运行对螺栓造成高频振动，螺栓受到长期循环的交变应力作用。断裂部位处于螺杆的螺纹末端，此处应力集中，螺纹对螺栓形成缺口效应。另螺母与螺杆在此处结合，螺栓除受到轴向力作用外，还因坚固作用受到扭转应力。终导致缸盖螺栓在螺纹缺口效应、扭转应力和轴向力的共同作用下发生低应力高周疲劳断裂。
3. 结论及建议
(1) 该氢气压缩机缸盖螺栓的断裂属于低应力高周疲劳断裂，疲劳裂纹源位
于螺杆与螺栓头部连接处的螺纹末端，此处应力集中，加之螺栓强度等级偏低，终导致缸盖螺栓在工作过程中的往复交变应力和扭转应力共同作用下发生疲劳断裂。
(2) 螺栓头部的支撑平面上出现微振斑，与螺栓的拧紧轴向力不足，或螺栓
强度偏低在长期工况下轴向力松弛有关。建议严格控制螺栓轴向力，尽量采用减震垫片；平时设备保养维护时，应关注螺栓的拧紧扭矩是否有明显降低现象并及时调整。
参考文献：
[1] 廖景娱.金属构件失效分析[m]. 北京:化学工业出版社,2003:69-81.
[2] 戴起勋.金属材料学[m]. 北京:化学工业出版社,2005:35-47.
[3] 钟群鹏,赵子华.断口学[m]. 北京:高等教育出版社,2006:291-310.
[4] 褚武扬,乔利杰,陈奇志,等.断裂与环境断裂[m]. 北京:科学出版社,2000:22-25.