壓縮機(jī)出口冷卻器浮頭螺栓斷裂原因分析

徐家旭，張韶偉

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

1 壓縮機(jī)出口冷卻器基本情況

某石化公司壓縮機(jī)出口冷卻器浮頭螺栓在運(yùn)行期間發(fā)生斷裂。其工作介質(zhì)氣為火炬氣，成分復(fù)雜、硫化氫含量高。運(yùn)行時殼程入口溫度約為75℃、出口溫度約為36℃，運(yùn)行壓力約為0.7 MPa，斷裂的5根螺栓為冷卻器的浮頭螺栓。

2 斷裂螺栓檢測分析

2.1 宏觀檢驗(yàn)

兩根斷裂的螺栓宏觀形貌見圖1。A斷裂位置在螺紋根部，距離端頭65 mm左右。B斷裂位置在螺紋中部，距離端頭35 mm左右。兩根螺栓的斷裂位置附近沒有明顯的塑性變形，為脆性開裂，斷口與螺栓軸線大約呈45°。螺栓長度為180 mm，直徑分別為19.9 mm和20.3 mm。螺紋表面有較厚的棕紅色銹層。

圖1 斷裂失效的螺栓

螺栓斷口表面有較厚的棕紅色銹層，說明螺栓斷裂已經(jīng)很長時間了。斷口表面有明顯的條紋，斷裂面與螺栓軸向呈一定的角度。對螺栓斷口表面先后用鹽酸和丙酮超聲波清洗，斷口呈黑色，見圖2。由圖2可見，斷口具有顯著的一次過載斷裂的特征。斷口表面有纖維區(qū)，放射條紋區(qū)和剪切唇區(qū)。三個區(qū)域呈一定弧狀分布，判斷是一次扭轉(zhuǎn)斷裂。纖維區(qū)是裂紋源區(qū)，放射條紋區(qū)是裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，剪切唇區(qū)是最后斷裂區(qū)。裂紋沿著纖維區(qū)-放射條紋區(qū)-剪切唇區(qū)的方向擴(kuò)展。

圖2 清洗后的斷口表面

2.2 材質(zhì)分析

螺栓A和螺栓B的化學(xué)成分分析結(jié)果分別見表1和表2。由表1和表2可以確定，螺栓的材質(zhì)為35CrMo，而35CrMo是合金結(jié)構(gòu)鋼中的調(diào)質(zhì)鋼。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—1999中化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）規(guī)定：C為0.32% ～0.40%，Si為0.17% ～0.37%，Mn為0.40% ～0.70%，S≤0.035%，P≤0.035%，Cr為0.80% ～1.10%，Ni≤0.30%，Cu≤0.30%，Mo為0.15% ～0.25%。

表1 螺栓A的化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

表2 螺栓B的化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

2.3 非金屬夾雜物及金相組織分析

2.3.1 非金屬夾雜物檢測

在斷裂失效的螺栓上，分別取橫截面和沿著螺栓軸線的剖面，進(jìn)行非金屬夾雜物的檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)，試樣見圖3。將試樣打磨拋光，在放大40倍的顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖4。由圖4可見，在螺栓的截面上存在著大量的球狀非金屬夾雜物。根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)圖顯微檢驗(yàn)法》可以確定，其為球狀氧化物，評定級別為2.5級。氧化物主要分布在橫截面的中心部位，在邊緣分布略少。

圖3 金相檢驗(yàn)試樣

圖4 非金屬夾雜物分析

2.3.2 螺栓截面的金相組織分析

將用4%硝酸乙醇溶液對金相試樣進(jìn)行浸蝕，觀察金相組織，結(jié)果見圖5。螺栓橫截面的金相組織為具有馬氏體位向的回火索氏體組織，說明螺栓是經(jīng)過淬火和高溫回火熱處理的。馬氏體是35CrMo鋼的淬火組織。馬氏體中的板條較長，說明淬火加熱時，加熱溫度過高，使奧氏體的晶粒變得粗大。由圖5還可以看到有少量的羽毛狀的貝氏體形貌，說明螺栓在淬火冷卻時，冷卻速度較慢或在空氣中停留的時間較長，致使螺栓中心部位沒有全部淬透，出現(xiàn)了少量的上貝氏體和托氏體組織。

圖5 螺栓橫截面的金相組織

2.4 螺栓表面腐蝕檢驗(yàn)

2.4.1 螺紋剖面的顯微鏡觀察

將螺栓沿軸線剖開，見圖3（b）。用金相顯微鏡觀察剖面中螺紋表面的微觀形貌，見圖6。從圖6可見，螺紋齒尖處呈現(xiàn)出凹凸不平的形貌，其產(chǎn)生的原因可能是腐蝕，或是磨損，或是腐蝕和磨損共同作用的結(jié)果，但齒尖處的凹坑比較淺，為100μm左右，且沒有向內(nèi)部發(fā)展的跡象。齒根部大部分都比較光滑沒有凹凸不平。

圖6 螺紋表面的金相組織

2.4.2 螺栓表面銹層的XRD分析

將螺栓表面銹層刮取，研成粉末，進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖7。由圖7可知，螺栓表面銹層主要含有氧化物及硫化物，說明環(huán)境介質(zhì)對螺栓有一定的腐蝕作用。

圖7 螺栓表面銹層的XRD分析

2.5 力學(xué)性能測試

2.5.1 硬度檢測

用便攜式里氏硬度計對螺栓截面及表面進(jìn)行硬度檢測。檢測試樣及位置如圖8所示。由圖8可知：（a）為截面中心，（b）為截面邊緣，（c）為外表面。檢測結(jié)果見表3。截面邊緣和外表面的平均硬度分別是214 HB和220 HB。與35CrMo鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的硬度（HBS≤229 HB）進(jìn)行比較，外表面和截面邊緣的硬度符合要求。截面中心的硬度較高，平均硬度為257 HB。說明在熱處理淬火過程中，中心部位淬火沒有淬透，呈正火狀態(tài)。35CrMo鋼的正常正火狀態(tài)硬度為241～286 HB。

圖8 螺栓硬度檢測試樣

表3 布氏硬度 HB

2.5.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

為了了解扭轉(zhuǎn)斷口的宏觀形貌特點(diǎn)，將斷裂螺栓截取一段，在外表面加工成一個溝槽模擬螺紋，然后用活扳手對其進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，從而得到扭轉(zhuǎn)斷裂斷口的宏觀形貌，見圖9。由圖9可見：扭轉(zhuǎn)斷裂斷口其斷裂面與螺栓軸線垂直，判斷為剪切斷裂。斷口周圍沒有明顯的宏觀塑性變形，斷口有圍繞中心的弧線。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷裂速度很快。加工的扭轉(zhuǎn)試樣直徑在10 mm左右，一人用活扳手能夠?qū)⑵渑啵f明螺栓抗扭轉(zhuǎn)斷裂的能力較低。

圖9 扭轉(zhuǎn)斷裂斷口的宏觀形貌

由于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和實(shí)際使用中的螺栓所處的應(yīng)力狀態(tài)不同，所以，斷裂的方式有所不同。實(shí)際使用中的螺栓，在緊固過程中，除了受到扭力之外同時還受到沿著軸線方向的拉應(yīng)力作用，所以，斷裂的方式及斷口的方向有所不同。

2.6 掃描電鏡分析

2.6.1 掃描電鏡非金屬夾雜物分析

用掃描電鏡觀察圖3（b）試樣的表面。掃描電鏡的景深大、放大倍數(shù)高，觀察組織形貌和非金屬夾雜物更清晰，圖10是螺栓剖面組織及非金屬夾雜物的掃描電鏡形貌。

圖10（a）是螺紋齒根部的組織形貌，齒根表面沒有被腐蝕，組織為馬氏體位向的回火索氏體。圖10（b）（c）（d）是非金屬夾雜物的掃描電鏡形貌，非金屬夾雜物呈球形，分布密集，夾雜物與基體呈分離狀態(tài)。圖10（e）（f）是螺紋齒尖部位的掃面電鏡形貌，可以看到有自表面向內(nèi)部的腐蝕溝槽，但腐蝕溝槽較淺。

2.6.2 掃描電鏡斷口形貌分析

用掃描電鏡觀察圖2的試樣斷口表面，結(jié)果見圖11。

圖11 螺栓剖面的掃描電鏡組織形貌

圖11（a）是放射條紋區(qū)的掃描電鏡形貌，在斷口表面有圓形空洞，說明非金屬夾雜物使螺栓的斷裂強(qiáng)度降低，是螺栓斷裂的主要原因之一。進(jìn)一步放大可以看到斷口表面有很多二次裂紋，見圖11（b）。圖11（c）可以看到斷口呈準(zhǔn)解理斷裂的形貌，是不同晶面處的多條裂紋相互連接產(chǎn)生的撕裂斷口。圖11（d）（e）（f）呈沿晶斷裂斷口的組織形貌特征，是回火脆性斷裂斷口。其原因是淬火后，高溫回火時，由于緩慢冷卻，使得低熔點(diǎn)的雜質(zhì)元素錫、磷、硫、砷等向晶界偏聚，降低了晶界的強(qiáng)度和韌性而產(chǎn)生沿晶斷裂。圖11（g）（h）是斷口邊緣處的形貌，可以看到有二次裂紋，也有金屬顆粒剝落的痕跡。

2.7 掃描電鏡能譜微區(qū)成分分析

2.7.1 斷口表面的能譜分析

掃描電鏡斷口表面能譜分析試驗(yàn)結(jié)果見圖12。合金元素Mo的作用是能夠與雜質(zhì)元素相互作用，能夠抑制回火脆性。由圖12可以看出，斷口表面合金元素Mo流失。說明合金失去了Mo對回火脆性的抑制作用。

圖12 掃描電鏡斷口表面能譜分析

2.7.2 非金屬夾雜物的能譜分析

掃描電鏡非金屬夾雜物能譜分析結(jié)果見圖13。由圖13可知：非金屬夾雜物中，主要含氧、鐵、鉻、鋁等。說明非金屬夾雜物是氧化鐵、氧化鉻、氧化鋁等。鋼中氧化夾雜物是鋼冶煉過程中脫氧不充分形成的，其存在割裂了基體，使鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性及抗疲勞性能下降。

圖13 非金屬夾雜物能譜分析

3 分析與討論

（1）宏觀斷口形貌分析結(jié)果表明：螺栓斷裂為扭轉(zhuǎn)一次性過載斷裂，斷裂為脆性開裂，斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形。斷口與扭轉(zhuǎn)最大切應(yīng)力呈45°，屬于正斷斷裂。由于使用過程中有預(yù)緊力的作用，緊固時，其應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)較小，所以呈正斷、脆性斷裂。斷裂是在預(yù)緊力和扭轉(zhuǎn)力共同作用下產(chǎn)生的。

（2）光譜化學(xué)成分分析表明：螺栓的材質(zhì)為35CrMo，其化學(xué)成分符合GB/T 3077—1999的規(guī)定要求。

（3）在螺栓的內(nèi)部存在大量的非金屬夾雜物。經(jīng)過金相顯微鏡檢驗(yàn)和掃描電鏡觀察及能譜成分分析確定為球形氧化物，評定級別為2.5級。夾雜的氧化物是鋼在冶煉過程中脫氧不充分等形成的，其在鋼中存在，割裂了基體，使鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性及抗疲勞性能下降。

（4）金相組織檢驗(yàn)表明：螺栓表面的金相組織是馬氏體位向的回火索氏體，內(nèi)部含有非馬氏體組織。說明螺栓在熱處理過程中，淬火加熱溫度較高，淬火冷卻速度較慢。非馬氏體組織和過熱組織會使螺栓的韌性下降。

（5）由掃描電鏡斷口形貌觀察可知，斷口表面有氧化夾雜物孔洞，說明氧化夾雜物降低了螺栓的強(qiáng)度，弱化了鋼的結(jié)合力。通常，斷裂總是在缺陷處、最薄弱的地方產(chǎn)生。掃描電鏡斷口形貌中是沿晶斷裂斷口，沿晶斷裂斷口是高溫回火脆性斷裂斷口，其產(chǎn)生的原因是高溫回火中冷卻速度慢，低熔點(diǎn)元素向晶界偏聚降低了晶界的結(jié)合力造成的。

（6）從金相顯微鏡觀察及掃描電鏡剖面組織觀察可知，在螺紋齒尖處有腐蝕微坑，齒根部位基本沒被腐蝕。XRD分析表明螺栓表面的腐蝕產(chǎn)物為氧化物和硫化物。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

螺栓斷裂是在緊固過程中在扭轉(zhuǎn)力和緊固應(yīng)力作用下共同產(chǎn)生的。螺栓內(nèi)部的非金屬球狀氧化物割裂了基體，從而也降低了螺栓的強(qiáng)度和韌性。在螺栓加工過程中，熱處理沒有嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行，導(dǎo)致組織不均勻，產(chǎn)生了回火脆性，降低了螺栓的強(qiáng)度和韌性。

4.2 建 議

緊固螺栓的生產(chǎn)過程包括原材料的采購、鍛造、熱處理和機(jī)械加工等一系列過程，無論哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會對螺栓的質(zhì)量產(chǎn)生影響。從本次螺栓失效分析中可以看出，螺栓的質(zhì)量問題是斷裂失效的主要原因。其缺陷是在幾個加工過程中產(chǎn)生的，因此，提出以下建議：

（1）對螺栓使用的材料進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。除對化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)外，還要對其內(nèi)部的宏觀缺陷和非金屬夾雜物等進(jìn)行檢驗(yàn)。

（2）熱處理應(yīng)嚴(yán)格按照熱處理規(guī)范進(jìn)行操作，并進(jìn)行金相、硬度、拉伸及沖擊韌性試驗(yàn)等，保證熱處理質(zhì)量合格。

（3）加工后的成品螺栓，應(yīng)按螺栓的質(zhì)量等級進(jìn)行嚴(yán)格的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，有防腐要求的應(yīng)對防腐層進(jìn)行檢驗(yàn)。

（4）在石化設(shè)備的采購過程中，應(yīng)選擇有資質(zhì)可信的生產(chǎn)廠家。監(jiān)理人員要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，除了要求生產(chǎn)廠家提供以上各項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)合格證書外，還要對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督。