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摘要：对断裂的高压天然气压缩机平衡管法兰螺栓的金相组织、化学成分、力学性能及断口的宏、微观特征等进行了综合分析，并结合压缩机设计文件资料、运行状态等，找出其断裂的原因。结果表明，在交变载荷的长期作用下，紧固螺母与设备结合处螺栓的螺纹根部存在应力集中现象，致使该部位成为裂纹源，最终螺栓发生疲劳断裂。

1 研究背景                 

某天然长输管道压气站压缩机平衡气管线与压缩机驱动端端盖连接法兰紧固螺栓突然断裂事故，管线崩脱变形，天然气大量泄露，导致可燃气监测探头报警，触发控制系统致使压缩机停机。图1、图2分别为压缩机组平衡管外观图和连接螺栓断裂后的法兰外观图。外弄清断裂的原因，从螺栓的金相组织、化学成分及断口形貌等进行综合分析，并结合压缩机设计文件资料、运行状态等进行了综合分析。

2理化检验与分析

2.1宏观断口分析

内六角螺栓是应用最广的一类螺栓。其A级和B级螺栓用于重要的装配精度要求高且能承受较大冲击，振动或交变载荷的场合。

图3是断裂螺栓的实物图断口形成两个主平面，较小的平面起点为螺纹底部，呈半椭圆形，与螺栓断面呈45度的夹角，面积约为10%，应为裂纹萌生区，较大的平面垂直于螺栓轴线，应为裂纹扩展区，未发现明显瞬间区。图4是断裂螺栓断口的宏观形貌，螺栓断口表面呈亮灰色，有较微弱金属光泽，未见腐蚀痕迹，无明显塑性变形，断口平滑。

2.2微观断口分析

对裂纹源区、裂纹扩展区以及瞬断区进行了FEI Quanta 650FEG场扫描电子显微镜分析，图5所示。发现断口中存在多个裂纹源，有数条贝线纹，高倍观察时有撕裂台阶，是典型的疲劳损伤破坏特征。对其中一个裂纹源放大1000倍观察，断口处呈现明显的疲劳断裂特征。

2.3化学成分

现场抽取已断裂、未断裂螺栓共2只样品采用ICP等离子发射光谱仪、CS800碳硫分析仪对其进行化学成分分析，结果表1所示，2个螺栓式样的化学成分均符合JB/T4707-2000及GB/T3077-2015标准中对35CRMOA钢的成分要求，因此，不存在由于杂质含量的超标及成分分布不均匀等因素导致的材料破坏。

2.4力学性能

由于该螺栓受到周期性冲击载荷，因此对抗冲击性能要求较高，从断裂试样上截取1个冲击试样（试样1）、同批次2个新螺栓上截取2个冲击试样（试样2、试样3）进行冲击试验。

对冲击断口的宏观和微观形貌进行了检验。可见，冲击断口的整个断面较灰暗，呈现维状，冲击断口形貌与断裂螺栓断口形貌完全不同，显示韧性断裂的特征，说明该材为延性材料，未发生脆性现象。

另外取样进行拉伸性能检验，螺栓的力学性能表2所示，可以看出，该样品力学性能完全符合标准要求。

2.5金相组织

截取螺栓的纵截面试验进行金相分析。夹物含量较少。经过4%的硝酸酒精溶液侵蚀后用OLYMPUS GX71金相显微镜观察，金相组织为回火索氏体，为正常的调质状态组织，晶粒度8级，图6所示，螺纹底部未发现明显的脱碳现象，这说明材料热处理状态正常。

3分析与讨论

综上知，断裂螺栓的化学成分符合35CRMOA钢的标准要求，金相组织为回火索氏体，其冲击性能与拉伸性能均符合标准要求，表明其热处理工艺正常，材料性能符合要求，断裂部位没有明显变形，该螺栓不是由于过载造成的。

对压缩机供应商提供的压缩机推力平衡管装配图、推力平衡管材料清单报告、平衡管法兰图纸进行审核发现，图纸设计平衡管连接采用内六角头螺钉，而《AP1617离心压缩机》第2.3.1.7.2条要求“在水平部分的机壳的主要连接面和径向部分的机壳的螺栓连接的端盖上，应提供柱状双头螺栓。在所有其他外部连接上应使用柱状双头螺栓替代有头螺钉；JB/T4700-2000《压力容器法兰分类与技术条件》要求，螺栓按照JB/T4707规定应该采用双头螺栓。因此螺栓的结构形式选择错误是导致其断裂的本质因素。

螺纹的不连续形状使螺纹的顶部和螺纹的底部部位存在应力集中现象，螺纹的底部由于截面积小，应力较螺纹的顶部更高。当采用内六角螺钉代替双头螺栓时，单头紧固时更加容易产生应力集中。

螺栓断裂位置都在紧固螺母与设备结合处的螺纹上。这是因为拧紧螺母后，在螺栓上产生的轴向拉力分布是不均匀的。第一扣螺纹牙承受的轴向力最大，然后依次减少，另一方面，因为螺栓与螺母是间隙配合，在交变正应力及弯曲应力的组合作用下，使螺杆与螺母螺纹之间的接触状态在不同部位产生很大的区别，即使同一圈螺纹受到的载荷也不同，靠近进气阀部位受力最大，所以该处易发生疲劳失效。

4、结论

（1）失效螺栓的化学成分、力学性能以及金相组织都符合JB/T4707-2000标准要求。

（2）法兰接头选用内六角螺钉，不符合《API617离心压缩机》的规定以及JB/4700-2000《压力容器法兰分类与技术条件》要求，应选用双头螺栓。

（3）从材料的宏观断口和微观分析，螺栓开裂是螺栓螺纹底部的疲劳失效而引起的。

 （以上信息摘抄“爱学术“，广州市安普检测技术服务有限公司仅用于服务项目。）

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