某輸氣管線安全閥連接螺栓全部斷裂案例分析.

1、某輸氣管線安全閥連接螺栓全部斷裂案例分析安全閥是天然氣開采和集輸系統(tǒng)上必不可少的安全保護(hù)裝置12，連接閥蓋與閥體的螺栓是安全閥最關(guān)鍵的零件，如果連接螺栓失效將很容易導(dǎo)致安 全事故。由于螺栓的材料、加工、裝配、服役環(huán)境等因素造成螺栓松動乃至斷 裂的情況時有發(fā)生 37。如某油田天然氣管線上一彈簧式安全閥使用不到 2 a8根雙頭連接螺栓發(fā)生斷裂（斷裂螺栓材質(zhì)為B7合金鋼，管線設(shè)計壓力為 5.75MPa,工作壓力為4.8MPa,螺栓發(fā)生斷裂時管線內(nèi)氣體壓力未出現(xiàn)異常 ）, 螺栓斷裂后閥蓋飛出。為查找螺栓斷裂原因，筆者對螺栓的宏觀形貌、尺寸、 微觀形貌、理化性能和受力等進(jìn)行了分析。1 螺栓宏觀分析及尺寸

2、測量安全閥上斷裂的 8個螺栓的相對位置及方位和斷口宏觀形貌見圖 1， 4#、 5#、6#、7#螺栓斷裂于承受載荷最集中的螺母端面螺紋根部并且表面可見明顯 銹跡，螺栓斷口整體呈 45°。與閥蓋上 8個螺栓斷口對應(yīng)的閥體上的 8個螺栓 斷口形貌見圖 2， 4#、5#、6#、7#螺栓光桿處直徑基本無變化，1 #、2#、3#、8#螺栓光桿處縮頸明顯并且 4 個螺栓可見明顯彎曲。在光學(xué)顯微鏡下觀察 8 根螺栓斷口附近螺紋，發(fā)現(xiàn) 4#、 5#、6#、7#螺栓螺 紋根部均有裂紋，而 1#、2#、 3#、8#螺栓螺紋根部均無裂紋。對8根斷裂螺栓及 4根同批完好螺栓光桿處進(jìn)行外徑測量，對比發(fā)現(xiàn)斷裂 的

3、 8 根螺栓均發(fā)生了頸縮變形，其中 1#、2#、3#、8#螺栓頸縮變形較大， 4#、 5#、6#、7#螺栓頸縮變形較小，即斷裂的 8 根螺栓均發(fā)生了塑性變形并且被拉 長。對螺栓伸出擰緊螺母端面長度進(jìn)行測量時發(fā)現(xiàn)伸出量有很大差異，伸出量 最大的 7* 螺栓比最小的 2#螺栓大 4mm。閥蓋上的 8 個螺栓光孔均發(fā)生了月牙形磨損或擠壓變形成為橢圓形，其中 橢圓長軸沿徑中心。對光孔長軸和短軸進(jìn)行測量并計算橢圓度，發(fā)現(xiàn)1#、2#、3#、8#光孔比 4#、5#、6#、7#光孔橢圓度大 （光孔編號與螺栓編號一一對應(yīng) ）。2 螺栓微觀分析對螺栓斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察可見 1#、2#、3#、8#螺栓斷口呈

4、韌窩 狀形貌， 4#、5#、6#、7#螺栓螺紋根部附近斷口發(fā)現(xiàn)有貝殼狀疲勞擴(kuò)展形貌， 疲勞形貌見圖 3。對 6#螺栓螺紋根部裂紋內(nèi)產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示產(chǎn)物 主要元素為Fe、C 0,其中0元素質(zhì)量百分含量達(dá)到27%3 螺栓材質(zhì)分析3.1 化學(xué)成分在螺栓斷口附近取樣，用 Baird Spectrovac2000 型直讀光譜儀和 LECO CS-444 型紅外碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果表明螺栓化學(xué)成分符合SA1932007 標(biāo)準(zhǔn)8 要求。3.2 力學(xué)性能從斷裂螺栓同批中隨機(jī)選取 3 根完好螺栓，沿縱向取標(biāo)距段直徑為 6.25mm 的圓棒拉伸試樣在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗，對斷裂螺栓橫截面進(jìn)

5、行硬度檢 測。數(shù)據(jù)顯示螺栓拉伸和硬度試驗結(jié)果均符合 SA 1932007 標(biāo)準(zhǔn)要求。3.3 金相組織截取包含斷口和螺紋根部的試樣進(jìn)行金相觀察和分析，結(jié)果如下：組織為 回火索氏體，組織晶粒度為 9.5 級，非金屬夾雜物為 A1.0、B0.5、D0.5;4# 、 5#、6#、7#螺栓斷口附近螺紋根部有裂紋。4 本案例綜合分析螺栓化學(xué)成分、硬度和拉伸試驗結(jié)果均符合 SA 1932007 標(biāo)準(zhǔn)要求，金相 分析顯示螺栓材料組織良好 ; 宏觀分析顯示 4#、5#、6#、 7#螺栓斷口附近螺紋 根部均有裂紋，而 1#、2#、3#、8#螺栓則均未產(chǎn)生裂紋 ;4# 、5#、6#、7#螺栓 斷口平坦區(qū)可見疲勞痕跡

6、，而 1#、2#、3#、 8#螺栓斷口為韌窩狀斷口微觀形 貌。因此，推斷 4#、5#、6#、 7#螺栓的斷裂屬于疲勞斷裂， 14、2#、3#、8#螺 栓的斷裂屬于過載斷裂。下面不考慮閥蓋等零部件重量的影響，對螺栓進(jìn)行受力分析。假定每根螺 栓受力相同，則由于管線氣體壓力的作用使每根螺栓受到的拉伸力為：式中Q為管線氣體壓力對閥瓣的頂驅(qū)力，N;p為管線內(nèi)氣體壓力，取 p=5.75MPa;S1為氣體作用在閥瓣上的面積，mm2;d1為氣體作用在閥瓣上的面積 圓外徑，測量 d1=89.7mm。參考機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 9 ，當(dāng)螺栓受到殘余鎖緊力和管線氣體壓力的共同 作用后的每根螺栓螺紋小徑截面上的應(yīng)力為：式中F0

7、為螺栓殘余鎖緊力，F(xiàn)O=KOF N;K0為殘余鎖緊系數(shù)，機(jī)械設(shè)計 基礎(chǔ)建議K0為1.51.8，取K0=1.8;S2為螺栓螺紋小徑處橫截面積， mm2;d2為螺栓螺紋小徑，取d2=mm而螺栓材料的最大許用應(yīng)力(7 =172MPa所以螺栓在正常預(yù)緊力和管線正 常壓力作用下受到的應(yīng)力載荷不會超過材料的許用應(yīng)力。根據(jù)現(xiàn)場情況，螺栓發(fā)生斷裂時氣體壓力處于正常水平，而 8 根斷裂螺栓 光桿處測量結(jié)果顯示 8 根螺栓均發(fā)生了頸縮塑性變形，并且 1#、2#、3#、 8#螺栓頸縮變形較大， 4#、5#、6#、 7#螺栓頸縮變形較小。由于 4#、5#、6#、 7#螺 栓的斷裂屬于疲勞斷裂，所以可推斷這些螺栓在初始

8、預(yù)緊過程中受到了過大的 擰緊作用產(chǎn)生了塑性變形。由于塑性變形螺栓會伸長，這樣螺栓便發(fā)生了松 動，在對閥蓋螺栓光孔長時間的摩擦中就會產(chǎn)生月牙形磨損。當(dāng)4#、5#、 6#、7#螺栓疲勞擴(kuò)展到一定程度或斷裂時， 1#、2#、3#、8#螺栓受力過載發(fā)生全部 斷裂。由于 1#、2#、3#、8#螺栓集中位于受力圓一側(cè)，當(dāng) 4#、5#、6#、 7#螺栓 斷裂時整體受力不平衡， 1#、2#、3#、 8#螺栓塑性過載斷裂的同時受到彎矩的 作用發(fā)生彎曲變形，同時對閥蓋光孔側(cè)向擠壓導(dǎo)致其發(fā)生橢圓變形。過高的初始螺栓應(yīng)力容易使螺栓本身產(chǎn)生屈服，它尤其發(fā)生在小直徑螺栓 以及螺栓材料屈服強(qiáng)度較低的情況。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)扳手時，

9、由手工擰緊所產(chǎn)生的 螺栓應(yīng)力大致為其中 d 為螺栓公稱直徑，取測量值 d=17.40mm。所以，除非能正確判斷施加在扳手上的推力，否則較小的螺栓上會產(chǎn)生過 高的應(yīng)力。7#螺栓伸出螺母端面比伸出量最小的 28螺栓大4mm說明8根螺栓 的預(yù)緊力矩不均勻。由于管線內(nèi)氣體壓力的波動會使螺栓承受交變應(yīng)力載荷，而螺紋根部存在 應(yīng)力集中，過大的擰緊力矩會加劇螺栓螺紋根部的應(yīng)力集中。將螺母從螺栓上 切除后發(fā)現(xiàn)螺栓與螺母嚙合的螺紋部位布滿鐵銹，而且檢測發(fā)現(xiàn)螺栓斷口及螺 紋根部均受到不同程度的氧腐蝕。在過高應(yīng)力及腐蝕的作用下螺栓螺紋根部很 容易產(chǎn)生裂紋。綜合以上分析推斷 4#、5#、6#、7#螺栓在過高的交變應(yīng)力和腐蝕作用下產(chǎn) 生了疲勞裂紋，在疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時，螺栓因受力過載發(fā)生全部斷 裂。結(jié)論為：1) 1# 、2#、3#、8#螺栓的斷裂屬于過載斷裂， 4#、5#、6#、7#螺栓的斷裂 屬于疲勞斷裂。2) 4# 、5#、6#、7#螺栓預(yù)緊力矩過大導(dǎo)致頸縮變形及螺紋根部大的應(yīng)力集 中，另外螺紋部位嚴(yán)重的氧腐蝕促進(jìn)了螺紋根部疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展。5 解決措施及效果1) 使用合適的預(yù)緊力對螺栓進(jìn)行預(yù)緊，現(xiàn)場最好采用能控制力矩大小的擰 緊機(jī)進(jìn)行擰緊作業(yè)。2) 增大螺栓直徑，降