摘 要:采用宏觀和微觀形貌分析、材料性能試驗、金相檢驗、螺栓載荷校核等方法對某摻稀泵 壓蓋螺栓斷裂原因進行分析。結果表明:高周疲勞導致摻稀泵壓蓋螺栓斷裂,螺栓螺紋表面脫碳層 的厚度超標、材料性能下降等對螺栓的疲勞斷裂具有促進作用。 

關鍵詞:螺栓;疲勞斷裂;載荷校核;高周疲勞 

中圖分類號:U213.5+2;TG115.5                         文獻標志碼:B                                    文章編號:1001-4012(2022)04-0052-04 

開采得到的超稠油需要經過摻稀泵系統進行稠 油降黏處理,之后才能繼續使用。在摻稀泵出入口 兩端均安裝了壓蓋,壓蓋通過環向分布的螺栓緊固 在泵體上。某摻稀泵在正常工作時,環向分布的緊 固螺栓突然發生斷裂,從而造成壓蓋脫落,最終導致 混合 油 噴 出。 該 摻 稀 泵 為 工 頻 泵,入 口 壓 力 為 0.06MPa,運行壓力(出口壓力)為15 MPa,泵速為 255min -1,泵口直徑為130mm。查看現場維修記 錄,發現斷裂螺栓距今已使用8a,雙頭螺柱型號為 AM27×80,性能等級為8.8級。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀分析 

壓蓋上的螺栓安裝位置照片如圖1所示,左起第 一泵口為失效位置,壓蓋上分布的6根螺栓均已斷 裂,斷裂位置均為螺紋處,該位置屬于應力集中部 位。按照壓蓋上的位置,將螺栓按順時針方向依次 編號為1 # ~6 # 。失效螺栓斷口的宏觀形貌如圖2 所示,螺栓整體外觀均未發現明顯的外徑或長度方 向上的變形,5 # 螺栓斷口較平坦,6 # 螺栓斷口發現 了明顯的脆性斷裂特征,其他螺栓斷口整體光亮平 整,且存在多個裂紋源。經過初步判斷,5 # 螺栓先 發生斷裂,6 # 螺栓最后發生斷裂。另外,在1 # 和6 # 螺栓螺桿上發現有二次裂紋(見圖3)。

1.2 化學成分分析 

在6根失效螺栓上 分 別 切 取 試 樣,采 用 ARL 3460型直讀光譜儀進行化學成分分析,結果如表1 所示。化學成分分析結果均符合 GB/T 3098.1— 2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標準中 對8.8等級螺栓的要求。

1.3 洛氏硬度測試 

在 6 根 失 效 螺 栓 上 分 別 切 取 試 樣,采 用 200HRS-150型洛氏硬度計進行硬度測試。沿試樣直 徑方向等分10個點測試洛氏硬度(從左向右依次編 號為1~10),結果如表2所示,可見洛氏硬度測試結 果符合標準要求(緊固件硬度為23~34HRC)。對螺 栓心部硬度和邊緣硬度進行對比發現,邊緣硬度均大 于心部硬度(邊緣位置處的硬度為最高硬度)。

1.4 金相檢驗 

在失效螺栓上切取試樣,采用 AxioVert.A1型 光學顯微鏡進行金相檢驗,結果發現所有螺栓邊緣 位置均發生脫碳(見圖4),試樣中心部位的顯微組 織為回火索氏體+鐵素體(見圖5)。失效螺栓試樣 脫碳層的厚度測量結果如表3所示,測量結果表明失 效螺栓試樣的脫碳層厚度均超標(GB/T3098.1— 2010標準要求脫碳層厚度不大于0.015mm)。

1.5 夏比沖擊試驗 

在1 # 螺栓上 縱 向 切 取 1 個 尺 寸 為 10 mm× 10mm×55 mm 的 試 樣,在 3 # 螺 栓 上 縱 向 切 取 4個尺寸均為10 mm×5 mm×55 mm 的試樣,試 驗溫度為-20 ℃,采用 ZBC2302-C 型擺錘式沖擊 試驗機進行沖擊試驗,結果如表4所示。3 # 螺栓的 半尺寸試驗結果均滿足標準 API5CT-2018 《套管 和油管》要求,但比標準值略高。對于1 # 螺栓來說, 全尺寸試驗結果小于標準要求(≥27J),并結合螺栓 使用年限,判斷認為斷裂螺栓的沖擊性能略有下降。

1.6 掃描電鏡分析 

為了進一步確定螺栓失效機理,采用掃描電子 顯微鏡(SEM)對斷裂螺栓進行微觀形貌分析。1 # 螺栓裂紋擴展區的微觀形貌如圖6所示,由圖6a) 可知,裂紋擴展區存在明顯的駐留滑移帶[1],由圖 6b)可見明顯的疲勞條紋,表明螺栓發生了高周低 應力疲勞斷裂。 

同樣地,在2 # ,3 # ,6 # 螺栓的裂紋擴展區均發 現明顯的貝殼狀條紋線[見圖7a)~7c)]。由圖7d) 可知,在6 # 螺栓瞬斷區附近發現了河流狀解理特 征,符合脆性斷裂特征[2]。 

1.7 螺栓螺紋截面的微觀形貌分析 

切取1 # 和6 # 螺栓試樣的螺紋部分,沿中心軸 將螺紋進行縱向切分,采用光學顯微鏡觀察螺紋齒 的形貌,在1 # 螺栓螺紋齒右側發現局部微裂紋[見 圖8a)],在 6 # 螺紋齒 底 部 發 現 局 部 微 裂 紋 [見 圖 8b)],裂紋寬度約為0.313mm ,深度約為1.8mm, 判斷為疲勞裂紋。

2 綜合分析

從失效螺栓的宏觀、微觀形貌及材料性能試驗 結果來看,螺栓由于長時間運行而達到疲勞壽命,從 而引起疲勞斷裂。斷裂原因主要有兩方面:從斷口 形貌來看,發現1 # ~5 # 螺栓斷口平整且部分存在 多裂紋源;從失效螺栓的微觀形貌均可發現貝殼狀 條紋線或疲勞輝紋,加上螺桿部分出現的二次裂紋, 均符合金屬疲勞失效的典型斷口形貌[3-4]。另外, 6根螺栓斷裂位置均在螺紋部分,屬于應力集中部 位,螺紋部位更容易形成裂紋源;從失效螺栓的金相 檢驗結果可知,6根失效螺栓螺紋表面的脫碳層厚 度均超過 GB/T3098.1—2010 標準要求。另外,文 獻[5]通過疲勞壽命試驗也說明脫碳層厚度對螺栓 的壽命有較大影響。

綜合分析,壓蓋螺栓的失效過程為:5 # 螺栓在 拉-拉疲勞載荷作用下,在螺紋部位萌生疲勞微裂紋,并逐漸擴展,由于此時整體摻稀泵系統還處于較 穩定狀態且遠未達到螺栓斷裂失效的載荷條件,所以 暫時未發生斷裂;隨著系統載荷的緩慢變化,其他螺 栓逐漸也萌生疲勞微裂紋,并逐漸擴展,當所有螺栓 上的裂紋擴展到一定程度,達到螺紋斷裂失效的載荷 條件時,螺栓無法承受最終載荷而發生瞬間斷裂。

3 結論與建議

(1)高周疲勞導致該壓蓋螺栓發生斷裂,螺栓 螺紋表面脫碳層厚度超標、材料性能下降等對螺栓 疲勞斷裂起到了促進作用。

(2)需要對長期交變載荷作用下的螺栓進行定 期檢查,以防螺栓因為使用年限過長而發生高周低 應力疲勞斷裂。

(3)建議增加有效的振動監測手段,實時監控 設備及部件的運行狀態,以便及時發現異常并報警。

參考文獻: 

[1] 王國陽,徐衛平,張保奇,等.船用柴油機活塞連接螺 栓斷裂失效分析[J].機械工程材料,2006,30(4):92- 94. 

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[3] 吳連生.失效分析技術及其應用———第七講 疲勞斷 裂失效分析[J].理化檢驗(物理分冊),1996,32(1): 57-64. 

[4] 王磊,陳學廣,斐海祥.柴油機用高強度螺栓斷裂失效 分析[J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2016,52(6):431- 434. 

[5] 覃希治,李強.脫碳對產品性能的影響[J].機械工人: 熱加工,2003(6):52. 

<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 4期 (pp:52-55)>