排氣法蘭螺栓使用過(guò)程中斷裂原因分析

任鶴 胡冰 劉行 張博 張晉

1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110869

2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110869

某電廠現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泵進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)一顆排氣法蘭螺栓斷裂，其余螺栓銹蝕嚴(yán)重。螺栓斷裂時(shí)泵運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為3222小時(shí)，約134天。為查找其斷裂及銹蝕原因，從材料選擇、熱處理工藝、力矩選擇以及現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境進(jìn)行分析，并做相關(guān)驗(yàn)證[1]。

1 材料選擇

該泵排氣法蘭的材料為14Cr17Ni2馬氏體不銹鋼，具有較高的強(qiáng)度，并具有較好的耐腐蝕性，具有豐富的工程使用經(jīng)驗(yàn)，自2010年10月至今，其他產(chǎn)品中14Cr17Ni2材質(zhì)的螺栓，未出現(xiàn)過(guò)斷裂、失效等情況，因此材料選擇不是導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的原因。

2 材料熱處理

2.1 熱處理溫度選擇

14Cr17Ni2性能對(duì)熱處理溫度較敏感，500-550℃之間回火后韌性相對(duì)下降，存在回火脆性，一般說(shuō)要避免在此區(qū)間回火。排氣法蘭螺栓硬度要求為285-321HB，回火溫度選擇為530±10℃，回火后水冷。

2.2 熱處理試驗(yàn)

為驗(yàn)證不同回火溫度下的性能，選取8組14Cr17Ni2鍛件進(jìn)行不同溫度回火試驗(yàn)，性能見(jiàn)表1?？梢?jiàn)530℃回火后兩組試塊平均沖擊值達(dá)到69J，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的35J，說(shuō)明熱處理后材料韌性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由此可以熱處理參數(shù)選擇不是材料產(chǎn)生裂紋的原因。

3 力矩選擇

排氣法蘭螺栓安裝力矩值為44N·m，具體計(jì)算過(guò)程如下：

3.1 力矩計(jì)算

式中：d——螺紋公稱直徑（mm）；0F——預(yù)緊力（N）；K——擰緊力矩系數(shù)，

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般擰緊力矩取計(jì)算值的70%-80%，因此31N·m-64N·m都是允許的，所以小法蘭擰緊力矩取44N·m在合理范圍內(nèi)。

3.2 強(qiáng)度校核

在預(yù)緊螺栓時(shí)，由于螺母和螺栓的螺紋間的摩擦，扳手上一部分力矩傳遞到螺栓上，螺栓產(chǎn)生切應(yīng)力，這部分力矩為：

因此排氣法蘭螺栓安裝時(shí)使用的擰緊力矩滿足使用要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)安裝

從現(xiàn)場(chǎng)斷裂照片來(lái)看，法蘭前后管道不平行，導(dǎo)致螺栓傾斜受力，并與螺栓孔內(nèi)壁接觸，螺栓長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)，容易發(fā)生局部應(yīng)力集中及表面受損[2]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該排氣法蘭螺栓的材料、熱處理工藝及施加力矩均滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)要求，結(jié)合螺栓的斷裂形式、使用環(huán)境和服役狀態(tài)，螺栓在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中不經(jīng)意的磕碰、劃傷或長(zhǎng)期處于不良的工作狀態(tài)，導(dǎo)致螺栓表面鈍化膜受到破壞，環(huán)境中的Cl-離子侵入到螺栓基體表面，在沒(méi)有鑒別出表面受損及采取防護(hù)措施的情況下，腐蝕逐漸深入，在正常應(yīng)力或局部應(yīng)力集中的作用下，構(gòu)成應(yīng)力腐蝕條件，產(chǎn)生微裂紋，在長(zhǎng)時(shí)間的作用下微裂紋逐漸增大，導(dǎo)致斷裂失效[3]。