大型離心風機聯(lián)軸器螺栓斷裂失效分析【摘 要】本文介紹了某發(fā)電公司一次風機聯(lián)軸器螺栓斷裂情況，從風機運行方式工頻與變頻的不同、螺栓材質(zhì)及力學特性和強度性能等方面對聯(lián)軸器螺栓失效原因做了全面的分析，得出了螺栓斷裂的失效的原因除了本身材質(zhì)及熱處理工藝等原因外，還與風機變頻工況下的復雜受力情況有一定的關系，最后給出了預防螺栓斷裂失效的有效措施。【關鍵詞】斷裂 熱處理 疲勞 受力1 斷裂情況簡介 某發(fā)電公司的一次風機采用的是沈陽鼓風機廠生產(chǎn)的型號為G9-26N017F的雙吸單出式離心風機，采用右旋方式、葉片前彎式結(jié)構(gòu)。風機與電機連接采用膜片式聯(lián)軸器，如圖1所示，用16條螺栓連接，每側(cè)8條。聯(lián)軸器螺栓材質(zhì)為45#鋼，規(guī)格為M30*170。圖1 膜片聯(lián)軸器示意圖 在2011年3月，發(fā)現(xiàn)一次風機聯(lián)軸器防護罩下方遺落有3個螺栓螺母，檢查確認系聯(lián)軸器的螺栓的緊固螺母。就地觀測軸承振動、溫度、運行聲音等運行參數(shù)均無異常。 經(jīng)停運風機之后，檢查膜片聯(lián)軸器兩側(cè)的螺栓分別斷裂2只和1只。2 斷裂原因分析2.1 風機運行方式及螺栓受力分析 據(jù)了解，該風機從2009年開始投入變頻工況運行，風機變頻運行中，由于風機轉(zhuǎn)速的頻繁變化，無形中增加了對螺栓附加的剪切應力。同時，在實際的變頻運行過程中，電機的軸向竄動量也明顯增大，造成聯(lián)軸器的軸向竄動量也增大，可能會造成螺栓軸向受力增加。如圖2所示為螺栓受力分析示意圖。圖2 螺栓受力分析示意圖 對于風機膜片聯(lián)軸器而言，在運行工程中聯(lián)軸器分別受到扭矩、軸線偏斜而引起的彎矩、螺栓與膜片質(zhì)量不均而引起的離心力和膜片軸向位移引起的彈性推力等。扭矩使螺栓產(chǎn)生剪應力；彎矩使螺栓產(chǎn)生拉伸或壓縮應力，且軸每轉(zhuǎn)一周應力循環(huán)交變一次；離心力使螺栓產(chǎn)生剪切應力，且隨轉(zhuǎn)速而變化；彈性推力使螺栓產(chǎn)生拉伸或壓縮應力，聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時，連桿端部的周期性的軸向偏移會產(chǎn)生一種頻率等于軸的旋轉(zhuǎn)頻率、振幅等于角位移乘以螺栓所處的半徑的軸向振動應力。眾多的使用實踐也表明，膜片聯(lián)軸器的主要失效方式是膜片和螺栓在交變循環(huán)和復合應力作用下的疲勞斷裂。 同時，螺栓在安裝時需要預先擰緊，因此都需要承受靜拉伸載荷。除受到軸向預緊拉伸載荷的作用外，通常還會在工作過程中受到附加的軸向拉伸（交變）載荷、橫向剪切（交變）載荷或由此復合而成的彎曲載荷的作用，有時還受到?jīng)_擊載荷的作用。通常情況下，附加的橫向交變載荷會引起螺栓的松動，軸向交變載荷會引起螺栓的疲勞斷裂，而在環(huán)境介質(zhì)的作用下軸向拉伸載荷則會引起螺栓的延遲斷裂。而通常這種斷裂容易在缺口集中部位如桿與頭部的過度處或螺紋根部產(chǎn)生。2.2 金屬檢驗分析2.2.1 斷口宏觀檢驗分析圖2 螺栓斷裂部位與斷裂螺栓斷口宏觀形貌圖 圖2所示為斷裂螺栓的宏觀斷口形貌。從圖中可以看出，螺栓斷裂發(fā)生在螺栓光滑部分與螺紋部分的結(jié)合部位，斷口平齊，斷口邊緣未發(fā)生明顯塑性變形，呈現(xiàn)典型的脆性斷口特征。在裂紋擴展區(qū)可見從裂紋源區(qū)始發(fā)的放射線狀撕裂棱線，斷口面與螺栓軸線方向成小角度的傾斜，隨著裂紋擴展，螺栓有效截面不斷減小而形成最終瞬斷區(qū)；螺栓外表面無明顯氧化皮，表明運行溫度不高；螺栓外表面無明顯沖擊痕跡，且測量時振動在合理范圍內(nèi)，表明并非沖擊所致。綜上可初步判斷該螺栓斷裂屬于疲勞延遲斷裂。2.2.2 化學成分及力學性能分析（一）化學成分分析項目CSiMnSP標準值0.420.500.170.370.500.800.0400.040試件0.430.270.610.0320.017結(jié)論合格合格合格合格合格（二）力學性能分析項目抗拉強度b（MPa）伸長率5 %標準值63717試件68514結(jié)論合格不合格（三）硬度分析項目HB標準（正火態(tài)）標準（調(diào)質(zhì)態(tài)）試件171187229220256結(jié)論不合格 從上述的材質(zhì)化學成分分析、力學性能分析和硬度分析的結(jié)果來看，我們能得出如下幾個結(jié)論：（1）該螺栓經(jīng)化學成份分析為45#鋼，與實際相符。（2）該螺栓的抗拉強度符合45#鋼的抗拉強度標準，說明該螺栓強度合格，（3）該螺栓的斷口伸長率小于標準值，說明該螺栓塑性較差。（4）該螺栓的材質(zhì)硬度低于標準值，說明該螺栓硬度不夠。2.2.3 金相組織分析 通過低倍組織100倍和斷裂金相組織100倍微觀檢查，發(fā)現(xiàn)組織內(nèi)存在有大量的夾雜物，說明材料原始加工存在原始缺陷。從圖3可以看到，內(nèi)壁裂紋內(nèi)充滿氧化物，裂紋尖端沿晶擴展。靠近內(nèi)壁組織為鐵素體碳化物，珠光體形態(tài)完全消失，近內(nèi)壁位置碳化物在晶界聚集長大，呈鏈狀分布，局部形成雙境界，可見蠕變孔洞和裂紋，內(nèi)壁氧化晶界超過5個晶粒，這種不良組織狀態(tài)是造成零件斷裂的根本原因。從上述的金相組織分析中，我們可以看出：螺栓斷裂處金相組織為鐵素體珠光體+少量魏氏組織+到處可見的夾雜物，且硬度低于標準值，說明該螺栓只是在中扎狀態(tài)下直接加工而成，未進行正規(guī)的正火處理，更未進行調(diào)質(zhì)處理，說明螺栓本身就存在明顯的原始加工制造缺陷。圖3 螺栓斷面金相組織分析A）低倍組織-金相組織：夾雜物（放大倍數(shù)100）；B）斷裂處金相組織-金相組織：鐵素體+珠光體+少量魏氏組織+夾雜物（放大倍數(shù)200）；C）斷裂處金相組織-金相組織：鐵素體+珠光體+少量魏氏組織+夾雜物（放大倍數(shù)400）；D）斷裂處金相組織-金相組織：到處可見的明顯夾雜物（放大倍數(shù)100）。3 結(jié)論 通過上述的運行方式及螺栓受力分析、金屬檢驗分析等兩個方面的分析，我們可以得出如下的結(jié)論：（1）螺栓金屬材料的原始缺陷是造成螺栓斷裂的根本原因：從分析可知，該螺栓是未經(jīng)過正規(guī)正火處理的45號鋼，并且組織內(nèi)部有許多夾雜物，鋼的抗拉強度符合標準，但韌性、塑性較差，抗疲勞性能差，不適合用做聯(lián)軸器螺栓。同時，螺栓材料金屬組織內(nèi)部存在有大量的夾雜物，這更加劇了螺栓的斷裂可能。（2）雖然螺栓外表面無明顯氧化皮，無明顯外傷痕跡，表明該螺栓運行溫度、振動在正常范圍內(nèi)。但是由于螺栓在長期運行過程中，受到來自扭矩、剪切、拉伸、壓縮、振動、彎曲等等各種各樣的復雜的力的交互作用。在這些交變應力的作用下，加速了螺栓金屬組織內(nèi)部的夾雜物演變?yōu)榱鸭y源，并逐漸擴展，最終導致斷裂。（3）從上述對螺栓的受力分析和金相分析，建議在選擇螺栓特別是聯(lián)軸器螺栓時應特別重視材料的綜合力學性能，在追求高的強度值和硬度值的同時也要求具有良好的塑性和斷裂特性。（4）從分析中可以看出，該風機聯(lián)軸器原來采用的45#鋼螺栓已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場使用的需要，建議將離心風機的膜片聯(lián)軸器螺栓更換為高強螺栓或者抗疲勞性能等級較強的螺栓，如40Cr、25Cr2Mo1V（調(diào)質(zhì)處理）等。（5）對螺栓的金相分析和力學特性分析是需要的，故建議對每一批次的螺栓進行認真深入的檢驗，必要時進行分批次的抽樣進行金屬金相分析和力學特性檢測，從源頭把好關。（6）從分析看，螺栓的斷裂不是短時間內(nèi)發(fā)生的，而是逐步積累的疲勞斷裂，這就要求在實踐中不斷摸清聯(lián)軸器螺栓斷裂的周期、掌握劣化規(guī)律，以便在發(fā)生斷裂之前及時進行預防性處理。參考文獻：1 束德林. 金屬力學性能M. 北京：機械工業(yè)出版社，1986：63.2 周海波，