摘要:采用宏观和微观形貌分析、材料性能试验、金相检验、螺栓载荷校核等方法对某掺稀泵压盖螺栓断裂原因进行分析。结果表明:高周疲劳导致掺稀泵压盖螺栓断裂,螺栓螺纹表面脱碳层的厚度超标、材料性能下降等对螺栓的疲劳断裂具有促进作用。
关键词:螺栓;疲劳断裂;载荷校核;高周疲劳
中图分类号:U.5+2;TG.5文献标志码:B文章编号:-()04--04
开采得到的超稠油需要经过掺稀泵系统进行稠油降黏处理,之后才能继续使用。在掺稀泵出入口两端均安装了压盖,压盖通过环向分布的螺栓紧固在泵体上。某掺稀泵在正常工作时,环向分布的紧固螺栓突然发生断裂,从而造成压盖脱落,最终导致混合油喷出。该掺稀泵为工频泵,入口压力为0.06MPa,运行压力(出口压力)为15MPa,泵速为min-1,泵口直径为mm。查看现场维修记录,发现断裂螺栓距今已使用8a,双头螺柱型号为AM27×80,性能等级为8.8级。
1理化检验
1.1宏观分析
压盖上的螺栓安装位置照片如图1所示,左起第一泵口为失效位置,压盖上分布的6根螺栓均已断裂,断裂位置均为螺纹处,该位置属于应力集中部位。按照压盖上的位置,将螺栓按顺时针方向依次编号为1#~6#。失效螺栓断口的宏观形貌如图2所示,螺栓整体外观均未发现明显的外径或长度方向上的变形,5#螺栓断口较平坦,6#螺栓断口发现了明显的脆性断裂特征,其他螺栓断口整体光亮平整,且存在多个裂纹源。经过初步判断,5#螺栓先发生断裂,6#螺栓最后发生断裂。另外,在1#和6#螺栓螺杆上发现有二次裂纹(见图3)。
1.2化学成分分析
在6根失效螺栓上分别切取试样,采用ARL型直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示。化学成分分析结果均符合GB/T.1—《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准中对8.8等级螺栓的要求。
1.3洛氏硬度测试
在6根失效螺栓上分别切取试样,采用HRS-型洛氏硬度计进行硬度测试。沿试样直径方向等分10个点测试洛氏硬度(从左向右依次编号为1~10),结果如表2所示,可见洛氏硬度测试结果符合标准要求(紧固件硬度为23~34HRC)。对螺栓心部硬度和边缘硬度进行对比发现,边缘硬度均大于心部硬度(边缘位置处的硬度为最高硬度)。
1.4金相检验
在失效螺栓上切取试样,采用AxioVert.A1型光学显微镜进行金相检验,结果发现所有螺栓边缘位置均发生脱碳(见图4),试样中心部位的显微组织为回火索氏体+铁素体(见图5)。失效螺栓试样脱碳层的厚度测量结果如表3所示,测量结果表明失效螺栓试样的脱碳层厚度均超标(GB/T.1—标准要求脱碳层厚度不大于0.mm)。
1.5夏比冲击试验
在1#螺栓上纵向切取1个尺寸为10mm×10mm×55mm的试样,在3#螺栓上纵向切取4个尺寸均为10mm×5mm×55mm的试样,试验温度为-20℃,采用ZBC-C型摆锤式冲击试验机进行冲击试验,结果如表4所示。3#螺栓的半尺寸试验结果均满足标准API5CT-《套管和油管》要求,但比标准值略高。对于1#螺栓来说,全尺寸试验结果小于标准要求(≥27J),并结合螺栓使用年限,判断认为断裂螺栓的冲击性能略有下降。
1.6扫描电镜分析
为了进一步确定螺栓失效机理,采用扫描电子显微镜(SEM)对断裂螺栓进行微观形貌分析。1#螺栓裂纹扩展区的微观形貌如图6所示,由图6a)可知,裂纹扩展区存在明显的驻留滑移带[1],由图6b)可见明显的疲劳条纹,表明螺栓发生了高周低应力疲劳断裂。
同样地,在2#,3#,6#螺栓的裂纹扩展区均发现明显的贝壳状条纹线[见图7a)~7c)]。由图7d)可知,在6#螺栓瞬断区附近发现了河流状解理特征,符合脆性断裂特征[2]。
1.7螺栓螺纹截面的微观形貌分析
切取1#和6#螺栓试样的螺纹部分,沿中心轴将螺纹进行纵向切分,采用光学显微镜观察螺纹齿的形貌,在1#螺栓螺纹齿右侧发现局部微裂纹[见图8a)],在6#螺纹齿底部发现局部微裂纹[见图8b)],裂纹宽度约为0.mm,深度约为1.8mm,判断为疲劳裂纹。
2综合分析
从失效螺栓的宏观、微观形貌及材料性能试验结果来看,螺栓由于长时间运行而达到疲劳寿命,从而引起疲劳断裂。断裂原因主要有两方面:从断口形貌来看,发现1#~5#螺栓断口平整且部分存在多裂纹源;从失效螺栓的微观形貌均可发现贝壳状条纹线或疲劳辉纹,加上螺杆部分出现的二次裂纹,均符合金属疲劳失效的典型断口形貌[3-4]。另外,6根螺栓断裂位置均在螺纹部分,属于应力集中部位,螺纹部位更容易形成裂纹源;从失效螺栓的金相检验结果可知,6根失效螺栓螺纹表面的脱碳层厚度均超过GB/T.1—标准要求。另外,文献[5]通过疲劳寿命试验也说明脱碳层厚度对螺栓的寿命有较大影响。
综合分析,压盖螺栓的失效过程为:5#螺栓在拉-拉疲劳载荷作用下,在螺纹部位萌生疲劳微裂纹,并逐渐扩展,由于此时整体掺稀泵系统还处于较稳定状态且远未达到螺栓断裂失效的载荷条件,所以暂时未发生断裂;随着系统载荷的缓慢变化,其他螺栓逐渐也萌生疲劳微裂纹,并逐渐扩展,当所有螺栓上的裂纹扩展到一定程度,达到螺纹断裂失效的载荷条件时,螺栓无法承受最终载荷而发生瞬间断裂。
3结论与建议
(1)高周疲劳导致该压盖螺栓发生断裂,螺栓螺纹表面脱碳层厚度超标、材料性能下降等对螺栓疲劳断裂起到了促进作用。
(2)需要对长期交变载荷作用下的螺栓进行定期检查,以防螺栓因为使用年限过长而发生高周低应力疲劳断裂。
(3)建议增加有效的振动监测手段,实时监控设备及部件的运行状态,以便及时发现异常并报警。
参考文献:
[1]王国阳,徐卫平,张保奇,等.船用柴油机活塞连接螺栓断裂失效分析[J].机械工程材料,6,30(4):92-94.
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[5]覃希治,李强.脱碳对产品性能的影响[J].机械工人:热加工,3(6):52.
文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷4期(pp:52-55)
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