化工机械设备地脚螺栓断裂失效分析

王奎勇，随刘杰，胡轶杰

（大庆石化公司a.化工三厂；b.炼油厂，黑龙江 大庆 163714）

0 引言

地脚螺栓是化工机械设备中重要的连接件，在化工机械设备中属于边缘研究范围，因此往往被忽略，而在实际化工设备运行中，地脚螺栓的优劣对化工设备的运行十分关键［1-2］，是工程安装中重要的连接方式，具有施工简单、装卸方便、疲劳强度高，安全性能优良等一系列特点。紧固连接件的断裂失效可引起大量生产事故，造成极其严重的后果，并造成巨大损失。引起螺栓断裂失效的原因众多，许多工程技术专家对工程实际中螺栓断裂失效进行了系统的研究：西安化工厂钱家宣等［3］从化工设备地脚螺栓的设计原理出发，详细阐述了化工压缩机地脚螺栓设计步骤及算例，从理论上对预防螺栓断裂进行了研究。刘俊伟等［4］对化工用高压容器断裂螺栓进行了失效分析，研究表明螺栓断裂的主要原因在于切除螺栓冒口时余量不足，使螺栓中出现夹杂物，引起疲劳裂纹的萌生及扩展，最终导致螺栓在拧紧过程中发生断裂。

1 存在的问题

某化工厂使用的大型设备地脚螺栓抗拉强度不合格，在运行过程中发生了断裂，为了找到该型螺栓不合格的原因，将合格螺栓与不合格螺栓做拉伸试验进行对比研究，螺栓示意图如图1 所示，中间竖线为螺栓断裂位置。该型螺栓主要加工工艺为：冷墩、调质、皂磷化处理。本文主要通过一系列手段对正常断裂螺栓与异常断裂螺栓进行断口宏微观扫描、化学成分及其含量分析、能谱分析及金相组织分析等，对引起该厂45Mn2 螺栓失效断裂原因进行分析，为实际工程应用提供了有利的指导意义。

图1 螺栓尺寸示意图

2 检验分析

2.1 化学成分分析

螺栓原材料化学成分的不均衡或者元素含量的偏低及偏高都会对螺栓紧固件的力学性能及疲劳性能等产生显著地影响，利用SPECTROMETER 光谱分析仪对正常断裂及异常断裂螺栓进行化学成分及其质量分数分析，正常断裂、异常断裂螺栓成分见表1，从表1 中可以看出正常断裂螺栓与异常断裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金结构钢》中对45Mn2 钢的要求，因此，可以认为化学成分对螺栓断裂失效没有影响。

表1 45Mn2 钢化学成分及质量分数分析结果 %

2.2 显微硬度分析

金属材料表面硬度是其综合力学性能的重要指标，硬度不够会显著降低材料的耐磨性能等，所以硬度指标在该厂螺栓断裂失效分析中也被应用。取平行于断裂界面的试样，磨样、抛光并从表层到中心测量其显微硬度。正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的显微硬度值如表2 所示，从表2 中可以看出，正常断裂螺栓和异常断裂螺栓从表层到中心的维氏显微硬度都没有较为明显的变化规律，同时正常断裂螺栓维氏显微硬度的平均值比异常断裂螺栓小一些。但是，无论是正常断裂螺栓和异常断裂螺栓，硬度均符合国标要求，故该螺栓异常断裂与其硬度没有直接联系。

表2 显微硬度值 HV

2.3 断口形貌

2.3.1 宏观断口形貌

利用扫描电子显微镜（Scanning Electronic Microscopy-SEM）对正常断裂与异常断裂螺栓断口进行扫描分析，从宏观断口形貌对两种断裂方式螺栓进行裂纹源、裂纹扩展区、裂纹瞬断区分析。图2（a）、2（b）所示为正常断裂螺栓、异常断裂螺栓宏观断口形貌图。正常断裂与异常断裂螺栓在拉伸过程中均没有明显的颈缩现象，所以正常断裂螺栓与异常断裂螺栓均呈现典型脆性断裂特征。从图中能够看出，正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面都出现明显裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区3 个部分，正常断裂螺栓疲劳裂纹源位于螺栓次表面，而异常断裂螺栓裂纹源则出现在螺栓表层，另外，从疲劳裂纹扩展区的对比中可以看出，正常断裂螺栓扩展区较异常断裂螺栓长，这充分说明了正常断裂螺栓的疲劳寿命较异常断裂螺栓长［5－6］。正常断裂与异常断裂螺栓瞬断区表现为典型的静载瞬时特征，并无明显异同。

图2 螺栓断裂截面

2.3.2 微观断口形貌

图3 螺栓断口微观形貌图

取断口截面进行扫描电镜分析，图3（a）、3（b）所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂面扫描电镜观察到的微观图像，断口呈现明显的韧窝形貌，为典型的微孔聚集型断裂特征，从图中可以看出，正常断裂螺栓韧窝等轴韧窝大小较为均匀，大韧窝之间夹杂小韧窝，表明螺栓是经过一定的塑性变形后才发生断裂。而异常断裂螺栓韧窝尺寸明显增大，在大尺寸的韧窝中可以观察到明显的夹杂颗粒，充分说明了夹杂颗粒是裂纹行核和扩展的有效途径，同时，异常断裂螺栓断裂面出现偏聚现象，偏聚的出现可能是拉断过程中裂纹产生的源头。图3（b）所示为夹杂物所在位置，图4为夹杂物能谱分析图，表3为其对应的元素分析表，从表中可以看出夹杂物中主要元素为O、Si，并存在少量的Mg、Al、Ca 元素，其中O 元素的含量很大，故其杂物主要为SiO2，存在少量的MgO、Al2O3、CaO2。夹杂物在螺栓材料中含量虽然不多，但对产品的质量却有重要的影响，这些夹杂物不仅能够削弱钢的强度及延展性，而且某些夹杂物的存在能够明显降低材料的断面收缩率。夹杂物作为独立相存在于钢中，极大地破坏了材料的连续性，也使得组织内部的不均匀性增大［7－8］。

图4 夹杂物能谱分析图

表3 夹杂物元素分析表%

2.4 金相组织分析

取平行于断裂截面的试样，打磨、抛光并观察其组织形貌。图4 所示为正常断裂与异常断裂螺栓试样断口剖面金相组织图，从金相图可以看出，两种断裂方式金相图无明显差异，靠近螺栓外表面部分主要为板条状马氏体组织分布，芯部组织主要为珠光体及少量不明显分布的网状铁素体及少许呈块状分布的铁素体组织，正常断裂与异常断裂螺栓断口金相组织晶粒分布不均匀，在铁素体之间有少量魏氏体析出，另外，螺栓断裂处存在轻微渗碳层，深度约为0.2 mm。

图5 螺栓金相组织

3 结论

通过对化工机械设备断裂地脚螺栓进行一系列宏观力学性能与微观组织分析、化学成分分析、金相组织分析及显微硬度分析等，对异常断裂螺栓进行失效分析后得出了以下结论：1）螺栓原材料成分符合国家标准要求，金相组织与其所使用热处理工艺正常组织一致，材料的硬度也达到了国标要求，充分说明了化学成分及材料硬度均不是螺栓断裂的主要原因；2）金相组织分析表明，正常断裂与异常断裂螺栓的断口金相组织晶粒分布不均匀，在铁素体之间有少量魏氏体析出，另外，螺栓断裂处存在轻微渗碳层；3）该化工设备地脚螺栓异常断裂的原因主要在于失效螺栓组织内部存在SiO2等夹杂物，该夹杂物的存在从一定程度上降低了螺栓的抗拉强度，另外，夹杂物有利于裂纹源的形成，能够降低螺栓的疲劳强度。

［1］周海波，朱晓勇，郑玉春，等.45 钢螺栓断裂失效分析［J］.金属热处理，2009，34（12）：107-109.

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［4］刘俊伟，陈淑贞.高压容器用螺栓断裂失效分析［J］.理化检验：物理分册，2012，48（12）：834-840.

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