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分享:掺稀泵压盖螺栓断裂原因

2022-10-11 14:33:59 

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,841600; 2.西安三维应力工程技术有限公司,西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行稠 油降黏处理,之后才能继续使用在掺稀泵出两端均安装了压盖,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,()15 MPa,255min-1,130mm,发现断裂螺栓距今已使用8a,AM27×80,性能等级为8.8


1 理化检验

1.1 宏观分析

1 的螺装位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,6螺栓均已断 ,断裂位置均为螺纹处,该位置属于应力集中部 按照压盖上的位置,将螺栓按顺时针方向依次 编号为1# ~6# 2 所示,螺栓向上的变形,5# 螺栓断口较平坦,6# 了明显的脆性断裂特征,其他螺栓断体光,且存在多个裂纹源经过初步判断,5# 发生断裂,6# 螺栓最后发生断裂,1# 6# 螺栓螺杆上发现有二次裂纹(见图3)

1.2 化学成分分析

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1 所示化学成分分析结果均符合 GB/T 3098.12010紧固件机械性能 螺栓螺钉和螺柱标准中 8.8等级螺栓的要求.


1.3 洛氏硬度测试

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试洛氏硬度(从左向右依次编 号为1~10),2所示,可见洛果符合标准要求(紧固件硬度为23~34HRC)栓心部硬度和边缘硬度进行对比发现,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 +(5)3,(GB/T3098.12010标准要求脱碳层厚度不大于0.015mm)

1.5 夏比

1# 纵 向 切 取 1 尺 寸 10 mm× 10mm×55 mm 的 试 样,3# 上 纵 4个尺寸均为10 mm×5 mm×55 mm 的试样,验温度为-20 ℃,采用 ZBC2302-C 试验机进行冲击试验,结果如43# 半尺寸试验结果均满足标准 API5CT-2018 和油管要求,但比标准值略高1# , 全尺寸试验结果小于标准要求(≥27J),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1# 螺栓裂纹扩展区的微观形貌如图6所示,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,2# ,3# ,6# 现明显的贝壳状条纹线[7a)~7c)]7d) 可知,6# 近发现了河流状解理特 ,符合脆[2]

1.7 螺栓螺

切取1# 6# 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,1# 齿[8a)],6# 齿 [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,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 ,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/T3098.12010 标准要求另外,[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 -拉疲劳载荷作用下,在螺纹部位萌生,并逐渐扩展,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 ,便

参考文献:

[1] 王国阳,徐卫平,,.栓断裂失效分析[J].,2006,30(4):92- 94. [2] 张栋,培道.失效分析[M].:出 版 ,2005. [3] 吴连生.失效分——疲劳裂失效分析[J].(分册),1996,32(1): 57-64. [4] 王磊,广,.柴油机用分析[J].(物 理 分 ),2016,52(6):431- 434. [5] 覃希治,.产品性能的影响[J].机械工人: 热加工,2003(6):52.

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