化工機械設備地腳螺栓斷裂失效分析

王奎勇，隨劉杰，胡軼杰

（大慶石化公司a.化工三廠；b.煉油廠，黑龍江 大慶 163714）

0 引言

地腳螺栓是化工機械設備中重要的連接件，在化工機械設備中屬于邊緣研究范圍，因此往往被忽略，而在實際化工設備運行中，地腳螺栓的優劣對化工設備的運行十分關鍵［1-2］，是工程安裝中重要的連接方式，具有施工簡單、裝卸方便、疲勞強度高，安全性能優良等一系列特點。緊固連接件的斷裂失效可引起大量生產事故，造成極其嚴重的后果，并造成巨大損失。引起螺栓斷裂失效的原因眾多，許多工程技術專家對工程實際中螺栓斷裂失效進行了系統的研究：西安化工廠錢家宣等［3］從化工設備地腳螺栓的設計原理出發，詳細闡述了化工壓縮機地腳螺栓設計步驟及算例，從理論上對預防螺栓斷裂進行了研究。劉俊偉等［4］對化工用高壓容器斷裂螺栓進行了失效分析，研究表明螺栓斷裂的主要原因在于切除螺栓冒口時余量不足，使螺栓中出現夾雜物，引起疲勞裂紋的萌生及擴展，最終導致螺栓在擰緊過程中發生斷裂。

1 存在的問題

某化工廠使用的大型設備地腳螺栓抗拉強度不合格，在運行過程中發生了斷裂，為了找到該型螺栓不合格的原因，將合格螺栓與不合格螺栓做拉伸試驗進行對比研究，螺栓示意圖如圖1 所示，中間豎線為螺栓斷裂位置。該型螺栓主要加工工藝為：冷墩、調質、皂磷化處理。本文主要通過一系列手段對正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓進行斷口宏微觀掃描、化學成分及其含量分析、能譜分析及金相組織分析等，對引起該廠45Mn2 螺栓失效斷裂原因進行分析，為實際工程應用提供了有利的指導意義。

圖1 螺栓尺寸示意圖

2 檢驗分析

2.1 化學成分分析

螺栓原材料化學成分的不均衡或者元素含量的偏低及偏高都會對螺栓緊固件的力學性能及疲勞性能等產生顯著地影響，利用SPECTROMETER 光譜分析儀對正常斷裂及異常斷裂螺栓進行化學成分及其質量分數分析，正常斷裂、異常斷裂螺栓成分見表1，從表1 中可以看出正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金結構鋼》中對45Mn2 鋼的要求，因此，可以認為化學成分對螺栓斷裂失效沒有影響。

表1 45Mn2 鋼化學成分及質量分數分析結果 %

2.2 顯微硬度分析

金屬材料表面硬度是其綜合力學性能的重要指標，硬度不夠會顯著降低材料的耐磨性能等，所以硬度指標在該廠螺栓斷裂失效分析中也被應用。取平行于斷裂界面的試樣，磨樣、拋光并從表層到中心測量其顯微硬度。正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓的顯微硬度值如表2 所示，從表2 中可以看出，正常斷裂螺栓和異常斷裂螺栓從表層到中心的維氏顯微硬度都沒有較為明顯的變化規律，同時正常斷裂螺栓維氏顯微硬度的平均值比異常斷裂螺栓小一些。但是，無論是正常斷裂螺栓和異常斷裂螺栓，硬度均符合國標要求，故該螺栓異常斷裂與其硬度沒有直接聯系。

表2 顯微硬度值 HV

2.3 斷口形貌

2.3.1 宏觀斷口形貌

利用掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscopy-SEM）對正常斷裂與異常斷裂螺栓斷口進行掃描分析，從宏觀斷口形貌對兩種斷裂方式螺栓進行裂紋源、裂紋擴展區、裂紋瞬斷區分析。圖2（a）、2（b）所示為正常斷裂螺栓、異常斷裂螺栓宏觀斷口形貌圖。正常斷裂與異常斷裂螺栓在拉伸過程中均沒有明顯的頸縮現象，所以正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓均呈現典型脆性斷裂特征。從圖中能夠看出，正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓斷裂截面都出現明顯裂紋源、裂紋擴展區、瞬斷區3 個部分，正常斷裂螺栓疲勞裂紋源位于螺栓次表面，而異常斷裂螺栓裂紋源則出現在螺栓表層，另外，從疲勞裂紋擴展區的對比中可以看出，正常斷裂螺栓擴展區較異常斷裂螺栓長，這充分說明了正常斷裂螺栓的疲勞壽命較異常斷裂螺栓長［5－6］。正常斷裂與異常斷裂螺栓瞬斷區表現為典型的靜載瞬時特征，并無明顯異同。

圖2 螺栓斷裂截面

2.3.2 微觀斷口形貌

圖3 螺栓斷口微觀形貌圖

取斷口截面進行掃描電鏡分析，圖3（a）、3（b）所示為正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓斷裂面掃描電鏡觀察到的微觀圖像，斷口呈現明顯的韌窩形貌，為典型的微孔聚集型斷裂特征，從圖中可以看出，正常斷裂螺栓韌窩等軸韌窩大小較為均勻，大韌窩之間夾雜小韌窩，表明螺栓是經過一定的塑性變形后才發生斷裂。而異常斷裂螺栓韌窩尺寸明顯增大，在大尺寸的韌窩中可以觀察到明顯的夾雜顆粒，充分說明了夾雜顆粒是裂紋行核和擴展的有效途徑，同時，異常斷裂螺栓斷裂面出現偏聚現象，偏聚的出現可能是拉斷過程中裂紋產生的源頭。圖3（b）所示為夾雜物所在位置，圖4為夾雜物能譜分析圖，表3為其對應的元素分析表，從表中可以看出夾雜物中主要元素為O、Si，并存在少量的Mg、Al、Ca 元素，其中O 元素的含量很大，故其雜物主要為SiO2，存在少量的MgO、Al2O3、CaO2。夾雜物在螺栓材料中含量雖然不多，但對產品的質量卻有重要的影響，這些夾雜物不僅能夠削弱鋼的強度及延展性，而且某些夾雜物的存在能夠明顯降低材料的斷面收縮率。夾雜物作為獨立相存在于鋼中，極大地破壞了材料的連續性，也使得組織內部的不均勻性增大［7－8］。

圖4 夾雜物能譜分析圖

表3 夾雜物元素分析表%

2.4 金相組織分析

取平行于斷裂截面的試樣，打磨、拋光并觀察其組織形貌。圖4 所示為正常斷裂與異常斷裂螺栓試樣斷口剖面金相組織圖，從金相圖可以看出，兩種斷裂方式金相圖無明顯差異，靠近螺栓外表面部分主要為板條狀馬氏體組織分布，芯部組織主要為珠光體及少量不明顯分布的網狀鐵素體及少許呈塊狀分布的鐵素體組織，正常斷裂與異常斷裂螺栓斷口金相組織晶粒分布不均勻，在鐵素體之間有少量魏氏體析出，另外，螺栓斷裂處存在輕微滲碳層，深度約為0.2 mm。

圖5 螺栓金相組織

3 結論

通過對化工機械設備斷裂地腳螺栓進行一系列宏觀力學性能與微觀組織分析、化學成分分析、金相組織分析及顯微硬度分析等，對異常斷裂螺栓進行失效分析后得出了以下結論：1）螺栓原材料成分符合國家標準要求，金相組織與其所使用熱處理工藝正常組織一致，材料的硬度也達到了國標要求，充分說明了化學成分及材料硬度均不是螺栓斷裂的主要原因；2）金相組織分析表明，正常斷裂與異常斷裂螺栓的斷口金相組織晶粒分布不均勻，在鐵素體之間有少量魏氏體析出，另外，螺栓斷裂處存在輕微滲碳層；3）該化工設備地腳螺栓異常斷裂的原因主要在于失效螺栓組織內部存在SiO2等夾雜物，該夾雜物的存在從一定程度上降低了螺栓的抗拉強度，另外，夾雜物有利于裂紋源的形成，能夠降低螺栓的疲勞強度。

［1］周海波，朱曉勇，鄭玉春，等.45 鋼螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理，2009，34（12）：107-109.

［2］吳玉枝，陳云祥，厲曉航.10.9 級高強度螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理，2009，34（11）：108-110.

［3］林輕，樣興林.某型高強度螺栓斷裂失效分析［J］.熱加工工藝，2009，38（2）：128-130.

［4］劉俊偉，陳淑貞.高壓容器用螺栓斷裂失效分析［J］.理化檢驗：物理分冊，2012，48（12）：834-840.

［5］王弘，高慶.40Cr 鋼超高周疲勞性能及疲勞斷口分析［J］.中國鐵道科學，2003，24（6）：93-98.

［6］李錦宏，封俊，楊國祥.鍋爐對流管脹管接頭開裂失效分析［J］.理化檢驗：物理分冊，2012，48（10）：683-685.

［7］薛冰，趙松喬，蔣振峰，等.低碳鑄鋼丸中的夾雜物分析［J］.鑄造技術，2013，34（1）：24-25.

［8］彭其春，趙金濤，陳立鵬，等.連鑄過程DC04 鋼中夾雜物的研究［J］.中國冶金，2011，21（6）：5-8.