某氢气往复式压缩机连接螺栓的断裂原因

陆 颜，谈金祝，李 洋，王 超，罗盛华

(1.南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816；2.中国石油化工股份有限公司金陵分公司,南京 210033)

0 引 言

随着科技的发展以及石化产品加工深度的不断增加，氢气往复式压缩机在石油化工领域中的应用越来越广泛[1-3]。在压缩机工作时，在疲劳载荷以及较大静载荷作用下，连接螺栓经常发生断裂，导致压缩机无法正常工作[4]，尤其是氢气往复式压缩机，其气缸与接筒连接螺栓的断裂会造成巨大的经济损失，甚至会危及人身安全，因此螺栓的稳定工作对氢气往复式压缩机的安全可靠性至关重要[5]。某石化公司一台氢气往复式压缩机在正常工作一段时间后，其进、排气储罐发生异常振动，经检修发现该压缩机第二列缸体与接筒的20根连接螺栓中有7根发生了断裂，且断裂位置均在螺栓与螺母旋合部分的第一扣或第二扣螺纹处，螺栓材料为35CrMoA钢，热处理态为调质态。为找到该连接螺栓断裂的原因，作者对其进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 断口宏观形貌

由于7根断裂螺栓的整体及断口宏观形貌相似，因此选择其中一根断裂螺栓进行形貌观察。由图1可以看出，该螺栓在螺纹处断裂成两段，测得其短段长约25 mm，长段长约255 mm，螺栓断口处的螺纹规格为M24。

由图2可以看出，失效螺栓断口呈凹杯状，由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区组成。裂纹源位于螺栓螺纹根部过渡圆弧处，且具有多源性；裂纹扩展区光滑平整，且面积较大，呈现脆性断裂特征；瞬断区与裂纹扩展区间有较明显的分界线，瞬断区部分区域呈现撕裂特征。螺栓断口中未观察到明显的塑性变形区域，说明螺栓局部的应力集中程度较大。由此可知，断裂螺栓发生了疲劳断裂。

1.2 化学成分

分别在断口附近螺栓边缘位置与中心位置选取2个点，采用SpectRoMAX型直读光谱仪测定化学成分，取平均值。由表1可以看出，失效螺栓中碳元素的含量略高于GB/T 3077-2015中35CrMoA钢的成分标准值，其余各元素含量均在标准范围内。

图1 失效螺栓的整体宏观形貌Fig.1 Overall macroscopic morphology of the failed bolt

图2 失效螺栓断口的宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture of the failed bolt

表1 失效螺栓的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the failed bolt (mass fraction) %

1.3 显微组织

采用线切割方法在螺栓断口附近平行于断裂面切割试样，经过粗磨、细磨、抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在Axio imagerAIM型光学显微镜下观察螺栓横截面的显微组织。35CrMoA钢的调质态组织应为均匀细小的回火索氏体。由图3可以看出，螺栓横截面不同位置的组织均为回火索氏体、上贝氏体和铁素体的混合组织，且心部的组织较边缘的粗大，这可能是由连接螺栓的热处理工艺未完全达到35CrMoA调质钢的热处理要求，即在热处理过程中淬火冷却速率过小或淬火介质冷却能力低导致的。

图3 失效螺栓断口附近横截面不同位置的显微组织Fig.3 Microstructures of different positions on cross section near fracture of the failed bolt: (a) edge; (b) core, at low magnification and (c) core, at high magnification

1.4 断口微观形貌

采用JSM-6360LV型扫描电子显微镜(SEM)观察失效螺栓断口不同区域的微观形貌。由图4可以看出：裂纹源区存在大量韧窝，呈韧性断裂特征，同时在螺纹根部可观察到周向微裂纹；裂纹扩展区存在多条放射性弧线，弧线收敛位置即为疲劳裂纹源；裂纹扩展区呈穿晶解理断口形貌，断裂性质为脆性断裂，同时该区域还存在大量疲劳辉纹；瞬断区存在大量韧窝，呈现韧性撕裂断口形貌，断裂性质为典型的韧性断裂。由此可知，连接螺栓发生低应力高周疲劳断裂，裂纹源位于螺栓边缘螺纹根部的高应力集中部位。

图4 失效螺栓断口不同区域的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of different regions on fracture of the failed bolt: (a) crack source region; (b) crack propagation region, at low magnification; (c) crack propagation region, at high magnification and (d) transient fracture region

1.5 拉伸性能和冲击性能

按照GB/T 228.1-2010，在失效螺栓断口附近沿轴向截取拉伸试样，标距尺寸为5 mmX5 mm,在Instron5689型万能试验机上进行室温拉伸试验，应变速率为0.001 s-1；依据GB/T 229-2007，在失效螺栓断口附近沿轴向截取尺寸为10 mmX10 mmX5 mm的夏比冲击试样，在JB-300B型摆锤式冲击试验机上进行室温冲击试验。由表2可以看出，失效螺栓的抗拉强度和屈服强度均低于GB/T 3077-2015中规定的35CrMoA钢的标准值，冲击吸收功高于标准值。由此可知，失效螺栓的拉伸性能不符合标准要求。

表2 失效螺栓的力学性能Table 2 Mechanical properties of the failed bolt

1.6 硬 度

按照GB/T 4342-1991，采用HX-1000型显微维氏硬度计对失效螺栓断口附近横截面边缘与中心位置的硬度进行测试，载荷为9.806 65 N,不同区域各测5个点取平均值。螺栓边缘与心部的平均硬度分别为290.56，289.51 HV。由于该螺栓为外购件，在未知螺栓强度等级时，参考GB/T 3098.1-2010，由断裂螺栓实测的抗拉强度，可判断该螺栓强度等级不低于8.8级，维氏显微硬度应在255355 HV之间，因此硬度符合标准。

2 断裂原因分析

由上述理化检验结果可知，断裂螺栓具有典型的疲劳断裂特征，属于疲劳断裂。该连接螺栓的显微组织、拉伸性能均未满足35CrMoA钢的技术要求。连接螺栓螺纹根部存在高应力集中，并且在压缩机工作过程中，缸体内气体压力的不断变化使得螺栓受到的工作载荷也不断变化，这导致了螺纹根部周向微裂纹的萌生。同时，在螺栓材料热处理过程中，由于淬火冷却速率过小或者淬火介质冷却能力低，螺栓组织为回火索氏体、上贝氏体和铁素体的混合组织而不是均匀细小的回火索氏体组织，且中心部位的显微组织较边缘的粗大;混合组织的存在导致材料的力学性能降低[6-8]，从而影响了螺栓的使用寿命，同时也加速了微裂纹的扩展。综上所述，在交变载荷作用下，微裂纹在螺栓螺纹根部高应力集中区域萌生，非均匀的显微组织导致连接螺栓的力学性能变差，加速疲劳裂纹扩展，最终连接螺栓发生低应力高周疲劳断裂。

3 结 论

(1) 该氢气压缩机连接螺栓的断裂性质为低应力高周疲劳断裂。在交变载荷作用下，微裂纹在螺栓螺纹根部高应力集中区域萌生，同时螺栓热处理不当导致形成回火索氏体、上贝氏体和铁素体的混合组织，造成螺栓的强度和硬度偏低，从而加速疲劳裂纹扩展，最终连接螺栓发生疲劳断裂。

(2) 为防止类似事故再次发生，应严格控制连接螺栓的热处理工艺，获得均匀的回火索氏体组织；优化螺栓的制造工艺，在投入使用前应严格检查螺栓的表面质量；定期进行设备维护和保养，一旦发现螺栓拧紧扭矩明显降低或者运行中存在松动等情况，应及时整修。