分享：掺稀泵压盖螺栓断裂原因

吕庆钢1,杨莎莎2,王海博2,姬丙寅2,史交齐2 

(1.中石化西北油田分公司 物资供应管理中心,轮台 841600; 2.西安三维应力工程技术有限公司,西安 710075)

摘 要:采用宏观和微观形貌分析、材料性能试验、金相检验、螺栓载荷校核等方法对某掺稀泵 压盖螺栓断裂原因进行分析。结果表明:高周疲劳导致掺稀泵压盖螺栓断裂,螺栓螺纹表面脱碳层 的厚度超标、材料性能下降等对螺栓的疲劳断裂具有促进作用。

关键词:螺栓;疲劳断裂;载荷校核;高周疲劳

中图分类号:U213.5+2;TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0052-04

开采得到的超稠油需要经过掺稀泵系统进行稠 油降黏处理,之后才能继续使用。在掺稀泵出入口 两端均安装了压盖,压盖通过环向分布的螺栓紧固 在泵体上。某掺稀泵在正常工作时,环向分布的紧 固螺栓突然发生断裂,从而造成压盖脱落,最终导致 混合 油 喷 出。 该 掺 稀 泵 为 工 频 泵,入 口 压 力 为 0.06MPa,运行压力(出口压力)为15 MPa,泵速为 255min-1,泵口直径为130mm。查看现场维修记 录,发现断裂螺栓距今已使用8a,双头螺柱型号为 AM27×80,性能等级为8.8级。 

1 理化检验

1.1 宏观分析

图1 压盖上的螺栓安装位置照片 压盖上的螺栓安装位置照片如图1所示,左起第 一泵口为失效位置,压盖上分布的6根螺栓均已断 裂,断裂位置均为螺纹处,该位置属于应力集中部 位。按照压盖上的位置,将螺栓按顺时针方向依次 编号为1# ~6# 。失效螺栓断口的宏观形貌如图2 所示,螺栓整体外观均未发现明显的外径或长度方 向上的变形,5# 螺栓断口较平坦,6# 螺栓断口发现 了明显的脆性断裂特征,其他螺栓断口整体光亮平 整,且存在多个裂纹源。经过初步判断,5# 螺栓先 发生断裂,6# 螺栓最后发生断裂。另外,在1# 和6# 螺栓螺杆上发现有二次裂纹(见图3)。

1.2 化学成分分析 

在6根失效螺栓上 分 别 切 取 试 样,采 用 ARL 3460型直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表1 所示。化学成分分析结果均符合 GB/T 3098.1— 2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》标准中 对8.8等级螺栓的要求.

1.3 洛氏硬度测试 

在 6 根 失 效 螺 栓 上 分 别 切 取 试 样,采 用 200HRS-150型洛氏硬度计进行硬度测试。沿试样直 径方向等分10个点测试洛氏硬度(从左向右依次编 号为1~10),结果如表2所示,可见洛氏硬度测试结 果符合标准要求(紧固件硬度为23~34HRC)。对螺 栓心部硬度和边缘硬度进行对比发现,边缘硬度均大 于心部硬度(边缘位置处的硬度为最高硬度)。

1.4 金相检验 

在失效螺栓上切取试样,采用 AxioVert.A1型 光学显微镜进行金相检验,结果发现所有螺栓边缘 位置均发生脱碳(见图4),试样中心部位的显微组 织为回火索氏体+铁素体(见图5)。失效螺栓试样 脱碳层的厚度测量结果如表3所示,测量结果表明失 效螺栓试样的脱碳层厚度均超标(GB/T3098.1— 2010标准要求脱碳层厚度不大于0.015mm)。

1.5 夏比冲击试验

在1# 螺栓上 纵 向 切 取 1 个 尺 寸 为 10 mm× 10mm×55 mm 的 试 样,在 3# 螺 栓 上 纵 向 切 取 4个尺寸均为10 mm×5 mm×55 mm 的试样,试 验温度为-20 ℃,采用 ZBC2302-C 型摆锤式冲击 试验机进行冲击试验,结果如表4所示。3# 螺栓的 半尺寸试验结果均满足标准 API5CT-2018 《套管 和油管》要求,但比标准值略高。对于1# 螺栓来说, 全尺寸试验结果小于标准要求(≥27J),并结合螺栓 使用年限,判断认为断裂螺栓的冲击性能略有下降。

1.6 扫描电镜分析

为了进一步确定螺栓失效机理,采用扫描电子 显微镜(SEM)对断裂螺栓进行微观形貌分析。1# 螺栓裂纹扩展区的微观形貌如图6所示,由图6a) 可知,裂纹扩展区存在明显的驻留滑移带[1],由图 6b)可见明显的疲劳条纹,表明螺栓发生了高周低 应力疲劳断裂。 同样地,在2# ,3# ,6# 螺栓的裂纹扩展区均发 现明显的贝壳状条纹线[见图7a)~7c)]。由图7d) 可知,在6# 螺栓瞬断区附近发现了河流状解理特 征,符合脆性断裂特征[2]。

1.7 螺栓螺纹截面的微观形貌分析 

切取1# 和6# 螺栓试样的螺纹部分,沿中心轴 将螺纹进行纵向切分,采用光学显微镜观察螺纹齿 的形貌,在1# 螺栓螺纹齿右侧发现局部微裂纹[见 图8a)],在 6# 螺纹齿 底 部 发 现 局 部 微 裂 纹 [见 图 8b)],裂纹宽度约为0.313mm ,深度约为1.8mm, 判断为疲劳裂纹。

2 综合分析

从失效螺栓的宏观、微观形貌及材料性能试验 结果来看,螺栓由于长时间运行而达到疲劳寿命,从 而引起疲劳断裂。断裂原因主要有两方面:从断口 形貌来看,发现1# ~5# 螺栓断口平整且部分存在 多裂纹源;从失效螺栓的微观形貌均可发现贝壳状 条纹线或疲劳辉纹,加上螺杆部分出现的二次裂纹, 均符合金属疲劳失效的典型断口形貌[3-4]。另外, 6根螺栓断裂位置均在螺纹部分,属于应力集中部 位,螺纹部位更容易形成裂纹源;从失效螺栓的金相 检验结果可知,6根失效螺栓螺纹表面的脱碳层厚 度均超过 GB/T3098.1—2010 标准要求。另外,文 献[5]通过疲劳寿命试验也说明脱碳层厚度对螺栓 的寿命有较大影响。 

综合分析,压盖螺栓的失效过程为:5# 螺栓在 拉-拉疲劳载荷作用下,在螺纹部位萌生疲劳微裂 纹,并逐渐扩展,由于此时整体掺稀泵系统还处于较 稳定状态且远未达到螺栓断裂失效的载荷条件,所以 暂时未发生断裂;随着系统载荷的缓慢变化,其他螺 栓逐渐也萌生疲劳微裂纹,并逐渐扩展,当所有螺栓 上的裂纹扩展到一定程度,达到螺纹断裂失效的载荷 条件时,螺栓无法承受最终载荷而发生瞬间断裂。

3 结论与建议

(1)高周疲劳导致该压盖螺栓发生断裂,螺栓 螺纹表面脱碳层厚度超标、材料性能下降等对螺栓 疲劳断裂起到了促进作用。 

(2)需要对长期交变载荷作用下的螺栓进行定 期检查,以防螺栓因为使用年限过长而发生高周低 应力疲劳断裂。

(3)建议增加有效的振动监测手段,实时监控 设备及部件的运行状态,以便及时发现异常并报警。 

参考文献: 

[1] 王国阳,徐卫平,张保奇,等.船用柴油机活塞连接螺 栓断裂失效分析[J].机械工程材料,2006,30(4):92- 94. [2] 张栋,钟培道.失效分析[M].北京:国 防 工 业 出 版 社,2005. [3] 吴连生.失效分析技术及其应用———第七讲 疲劳断 裂失效分析[J].理化检验(物理分册),1996,32(1): 57-64. [4] 王磊,陈学广,斐海祥.柴油机用高强度螺栓断裂失效 分析[J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2016,52(6):431- 434. [5] 覃希治,李强.脱碳对产品性能的影响[J].机械工人: 热加工,2003(6):52.

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