新氫壓縮機汽缸端蓋螺栓斷裂原因分析及建議措施

趙玉柱

（中國石油撫順石化公司，遼寧撫順113008）

2019年10月27 日，某石化公司2.0 Mt／a加氫裂化裝置新氫壓縮機（K102S）一級汽缸端蓋上的20根緊固螺栓有6根發生了斷裂，斷裂位置均在汽缸端蓋上螺栓與螺母配合的螺紋處。2015年，同一區域曾經有2根緊固螺栓發生過類似斷裂。斷裂螺栓的規格為M34×215 mm，螺栓材質不詳，其強度等級為12.9級。新氫壓縮機電機功率為6 400 kW，轉速為300 r／min（壓縮機曲軸轉速）。新氫壓縮機內的介質為純度99.99%的氫氣。正常情況下，新氫壓縮機（K102S）一級汽缸端蓋上的緊固螺栓是接觸不到壓縮機內部的氫氣介質的，也就是說，緊固螺栓所處環境為新氫壓縮機（K102S）外部的自然工業大氣環境。由于壓縮機運行過程中其氣缸缸體的溫度會上升，估算螺栓的工作溫度為50～80℃。為了徹底查明原因，防止此類斷裂再次發生，對斷裂螺栓進行了檢測分析。

1 檢測與分析

1.1 宏觀形貌觀察

由于斷裂螺栓的宏觀斷口形貌相似，因此選取一根斷裂螺栓進行宏觀形貌觀察，其宏觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出：斷口處沒有明顯的塑性變形，斷口平坦呈瓷質狀；斷口上也未發現腐蝕痕跡，螺栓斷裂的裂紋源均處于螺紋邊緣處，螺栓斷口具有疲勞斷裂的特征。

圖1 螺栓及其斷口宏觀形貌

1.2 成分分析

在螺栓上選取塊狀樣品，利用直讀光譜儀對其材質的成分進行檢測分析，結果表明，其材質成分與相關標準中的40CrMnMo鋼標準成分相符，見表1。

表1 螺栓材質成分分析結果 w，%

1.3 金相檢驗與顯微硬度測試

在斷裂螺栓上切取金相樣品，經預磨、拋光、蝕刻，在金相顯微鏡下觀察分析，其橫截面金相組織見圖2。從圖2可以看出，螺栓橫截面金相組織均勻，為回火索氏體［1］。使用顯微硬度計測試螺栓硬度，螺栓橫截面的硬度值為328.5～334.8 HV（相當于35.0～35.5 HRC）。

圖2 螺栓橫截面的金相組織

1.4 斷口的微觀形貌觀察

使用掃描電鏡對螺栓斷口進行微觀形貌觀察，其微觀形貌見圖3至圖5。從圖中可以看出：裂紋起源于螺紋部位螺牙的根部，斷口上未發現氧化及腐蝕產物；在螺栓斷口靠近裂紋源區域，可見因疲勞斷裂而產生的“輝紋線”及二次裂紋，與裂紋擴展方向垂直（見圖3）；在螺栓斷口的裂紋擴展區（斷口中心），仍可見疲勞斷裂的“輝紋線”和二次裂紋，該處斷口上仍然沒有氧化及腐蝕產物存在（見圖4）；在螺栓斷口的瞬斷區，可見拉長變形的韌窩微觀特征（見圖5）。

圖3 靠近裂紋源區的微觀形貌

圖4 裂紋擴展區微觀形貌

2 結果與討論

對新氫壓縮機汽缸端蓋斷裂的緊固螺栓進行了多項理化檢驗分析，可以判斷螺栓的失效機理為疲勞斷裂。造成螺栓發生疲勞斷裂的主要因素是外部應力載荷和振動交變應力的作用，螺栓自身結構也對斷裂位置有很大影響。

（1）氣缸端蓋螺栓用于緊固壓縮機缸體與氣缸端蓋。當緊固螺栓被擰緊后，螺栓自身會承受一定大小的拉應力（預緊力）。受軸向拉應力作用的螺栓發生破壞的位置主要有三處（見圖6）：①與螺母配合部分第一螺牙的根部；②螺栓頭與螺桿的過渡處；③螺紋與光桿部分的過渡區［2］。而且，與螺母配合部分的螺栓第一螺牙根部是承受拉應力最大的地方，該部位承受著整個軸向載荷的34%（見圖7）。這次斷裂的6根螺栓及2015年斷裂的2根螺栓都在螺紋第一螺牙處開裂，這與螺栓各部位承受的載荷大小有關［3-4］。

（2）往復式壓縮機系統內的間歇傳質產生復雜的時變壓力波，即脈動，脈動的頻率和振幅受壓縮機運行速度、系統溫度、氣體的熱力學性質以及系統幾何形狀的影響。當氣流脈動嚴重時，就會造成壓縮機機體及管道的強烈振動，形成很強的交變載荷。當這個交變載荷與螺栓自身受到的拉伸應力超過螺栓本身的疲勞強度時，就容易在螺栓與螺母配合的第一螺牙根部萌生出疲勞微裂紋，一旦有疲勞微裂紋產生，在交變載荷的作用下就容易發展成宏觀疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋的擴展，螺栓的有效承載能力會不斷減小，當裂紋擴展到一定程度時，螺栓剩余的有效截面無法承受外部應力載荷，螺栓就會發生瞬間完全斷裂而失效［5-6］。

圖6 螺栓各部位發生破壞的概率

圖7 緊固件各螺紋之間的載荷分布

（3）螺栓斷裂集中在氣缸端蓋上9點至12點的區域，說明這一區域的螺栓應力集中程度或缸體振動載荷要高于其他區域的螺栓。

（4）螺栓斷口上面積占比較大的是疲勞裂紋擴展區，斷口平坦、光滑細膩呈瓷質狀，表明這些螺栓受到的疲勞載荷水平不是很高，即疲勞應力較小。

3 結論及建議

3.1 結 論

（1）螺栓的材質為中碳低合金鋼，其材質化學成分符合40CrMnMo鋼的標準要求。

（2）螺栓的金相組織為回火索氏體，其硬度為328.5～334.8 HV（相當于35.0～35.5 HRC）。

（3）螺栓的斷裂失效機理為疲勞斷裂。當新氫壓縮機工作時，壓縮機汽缸內的氣流脈動及機器振動使得缸蓋螺栓高頻振動，緊固螺栓受到循環交變應力作用；由于在螺栓第一螺牙處（即螺牙齒根）應力最為集中，此處容易產生疲勞微裂紋；在交變應力的作用下，疲勞微裂紋會不斷擴展，最終導致整個螺栓因疲勞開裂而斷裂失效。

（4）當新氫壓縮機汽缸端蓋上的20根螺栓中有一根斷裂后，與斷裂螺栓相鄰的其他螺栓所承受的載荷（靜拉應力、交變應力等）就會增加，從而使這些螺栓更容易發生疲勞斷裂，造成同一區域多根螺栓發生疲勞斷裂。

3.2 建 議

（1）參照相關標準對壓縮機本體及管線的振動進行檢測。

（2）采取有效措施，如加固基礎、調整管線、增加緩沖罐容積等，減小壓縮機系統的振動。

（3）安裝壓縮機氣缸端蓋螺栓時，應嚴格按照相應的操作規程進行，保證每個螺栓具有相同的預緊力，避免個別螺栓的預緊力過大或過小，防止個別螺栓產生應力集中而導致破壞。