田野

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司

摘要：對(duì)清管器螺栓失效原因進(jìn)行分析總結(jié)，有助于改進(jìn)其結(jié)構(gòu)及安裝方式，延長(zhǎng)使用壽命，保證運(yùn)行安全。某管道開(kāi)展清管器作業(yè)時(shí)發(fā)生了40 CrMo材質(zhì)螺栓斷裂后，采用宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡等方法對(duì)該批失效螺栓進(jìn)行了失效分析。結(jié)果表明，該批螺栓的化學(xué)成分、拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T 3098.1―2010標(biāo)準(zhǔn)要求。失效螺栓的金相組織為回火索氏體，其晶粒度等級(jí)為10.0。根據(jù)螺栓斷口形貌確定其為典型的疲勞失效，斷裂原因?yàn)槁菟ò惭b時(shí)預(yù)緊程度存在差異，導(dǎo)致部分螺栓承受載荷異常，在螺紋齒根附近萌生微小裂紋。清管器運(yùn)行過(guò)程中速度不穩(wěn)定產(chǎn)生的較大振動(dòng)，誘發(fā)裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致螺栓斷裂失效。

關(guān)鍵詞：清管器；40CrMo；螺栓；疲勞斷裂

油氣管道在建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生施工廢棄物和運(yùn)行沉積物，這些雜質(zhì)會(huì)影響管道的安全高效運(yùn)行。為提高管道輸送效率，保證作業(yè)安全，運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)定期對(duì)管道進(jìn)行清管作業(yè)。管道清管器一般由主骨架、密封皮碗和電子發(fā)射機(jī)組成[1]，由壓縮氣體、水或管道輸送介質(zhì)推動(dòng)，可分為直板型清管器、碟型清管器和直碟混合型清管器。清管器上緊固件是保證其正常運(yùn)行的關(guān)鍵零部件之一，Q/SY 05262―2019《機(jī)械清管器技術(shù)條件》僅規(guī)定清管器緊固螺栓宜采用防松螺母對(duì)稱(chēng)擰緊，擰緊后螺桿出頭宜在10 mm以?xún)?nèi)，但未考慮螺栓擰緊力矩不同對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。

2022年6月，某公司在天然氣管道清管作業(yè)中出現(xiàn)了清管器螺栓失效斷裂的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)失效螺栓宏觀檢驗(yàn)、理化性能檢驗(yàn)及斷口分析，明確其斷裂原因，并提出針對(duì)性的預(yù)防措施和管理建議。

1  概況

清管作業(yè)全長(zhǎng)148 km，最大高程差811 m，中間設(shè)4座閥室，管道壁厚根據(jù)地區(qū)等級(jí)和直彎管不同分為18.4 mm、19.1 mm、22 mm、26.4 mm和33 mm。本次運(yùn)行清管器類(lèi)型為兩直四碟帶測(cè)徑板清管器，過(guò)盈量2.8%～5.1%，設(shè)備長(zhǎng)度為2300 mm，運(yùn)行期間平均速度4.1 m/s，清管器進(jìn)出站及沿線跟蹤點(diǎn)位未出現(xiàn)明顯異響或異常振動(dòng)。收球后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，清管器后端法蘭盤(pán)處16根內(nèi)六角圓柱頭螺釘中有7根斷裂，斷裂部分為460 mm長(zhǎng)節(jié)（主要為螺桿部分）和40 mm短節(jié)（螺紋部分），斷裂位置一致（圖 1 a）；4件已服役完好螺栓（圖 1 b上）與3件失效螺栓（圖 1 b下）為同一清管器上取樣，該批螺栓執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3098.1―2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》，螺栓規(guī)格為M8，長(zhǎng)度為500 mm，螺桿直徑為15.5 mm，螺紋直徑14 mm。

圖 1 取樣實(shí)物 

2  試驗(yàn)方法和結(jié)果

2.1  宏觀檢驗(yàn)

斷裂發(fā)生在螺紋加工末端齒根位置，螺母距螺桿端部距離不一，螺栓桿體表面未見(jiàn)塑性變形，但存在輕微局部磨損，露出金屬光澤，根據(jù)螺栓軸向長(zhǎng)度推測(cè)磨損位置對(duì)應(yīng)螺栓徑向承載位置（圖 2）。

圖 2 失效螺栓外觀形貌 

斷口呈典型疲勞斷裂特征，斷口平齊。斷口表面存在三個(gè)特征區(qū)域：疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)[2]。疲勞源區(qū)位于螺栓外表面，較為集中；擴(kuò)展區(qū)光滑且有橫紋，面積較大；瞬斷區(qū)位于疲勞源區(qū)對(duì)面。通過(guò)對(duì)比分析失效螺栓螺桿外表面和斷口啟裂位置，可以發(fā)現(xiàn)3件失效螺栓的疲勞源區(qū)位置螺桿外表面為正常銹蝕狀態(tài)，而疲勞斷口的瞬斷區(qū)螺桿外表面存在局部磨損（圖 3）。

圖 3 失效螺栓斷口外觀形貌 

2.2  理化性能檢驗(yàn)

化學(xué)成分分析。依據(jù)GB/T 3098.1―2010產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3件失效螺栓桿體進(jìn)行取樣化學(xué)成分分析，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4336―2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，分析設(shè)備為ARL4460直讀光譜儀。參照GB/T 3077―2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，該批螺栓桿體應(yīng)為合金結(jié)構(gòu)鋼，材質(zhì)介于35 CrMo和42 CrMo之間，為40 CrMo。螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果符合GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)中10.9和12.9緊固件性能等級(jí)要求（表 1）。

表 1 化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果（ %）

拉伸試驗(yàn)。在螺栓桿體上沿縱向取圓棒狀試樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，試樣標(biāo)距段直徑為10 mm，標(biāo)距段長(zhǎng)度為50 mm。試驗(yàn)在UTM5305材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，執(zhí)行GB/T 228.1―2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，參照GB/T 3098.1—2010進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，符合標(biāo)準(zhǔn)中12.9緊固件性能等級(jí)要求（表 2）。

表 2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

夏比沖擊試驗(yàn)。在螺栓桿體上沿縱向取樣進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，試樣為夏比V型缺口沖擊試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為PIT752D-2沖擊試驗(yàn)機(jī)。結(jié)果顯示螺栓吸收能量在51 J～53 J，剪切斷面率為100%

硬度試驗(yàn)。在螺栓桿體上取樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)（HBW2.5/187.5），試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為BH3000布氏硬度計(jì)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4340.1―2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》。參照GB/T 3098.1―2010進(jìn)行硬度測(cè)試結(jié)果比對(duì)，該螺栓硬度平均值為376±12 ，符合GB/T 3098.1―2010標(biāo)準(zhǔn)中緊固件性能等級(jí)要求10.9 （316～375）和12.9（380～429）之間。

金相檢驗(yàn)。在失效螺栓中選取一件試樣對(duì)斷裂區(qū)域（圖 4）進(jìn)行金相檢驗(yàn)，試樣編號(hào)1#。裂紋源區(qū)附近齒根位置存在微裂紋（圖 5）。分別對(duì)螺紋牙頂、齒根及螺栓心部進(jìn)行金相檢驗(yàn)，未見(jiàn)異常。螺栓金相組織為回火索氏體、晶粒度等級(jí)為10.0。

圖 4 1#試樣取樣位置及外觀形貌 

圖 5 1#試樣齒根金相 

3  斷口及斷裂原因分析

3.1  斷口分析

采用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡對(duì)斷口（圖 6）進(jìn)行分析，擴(kuò)展區(qū)較為整齊且有橫紋，瞬斷區(qū)出現(xiàn)小塊缺失，斷口呈典型疲勞斷裂特征。1-1#螺栓斷口源區(qū)為螺紋齒底位置，1-2#螺栓斷口源區(qū)內(nèi)存在多條棘輪花樣（圖 7）。兩個(gè)樣品的擴(kuò)展區(qū)均存在明顯的疲勞輝紋（圖 8）。

圖 6 螺栓斷口低倍形貌 

圖 7 螺栓斷口源區(qū)形貌

圖 8 螺栓斷口擴(kuò)展微觀形貌  

3.2  斷裂原因分析

外觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)失效螺母距螺桿端部距離不一，螺栓末端露出不同螺紋牙數(shù)，可推斷出清管器上螺栓初始緊固程度存在差異。失效斷裂發(fā)生在螺紋加工末端齒根位置，螺栓桿體表面未見(jiàn)塑性變形，但存在輕微局部磨損，根據(jù)螺栓軸向長(zhǎng)度推測(cè)磨損位置對(duì)應(yīng)螺栓徑向承載位置。斷裂部位附近螺紋齒根部存在微裂紋，斷口呈典型疲勞斷裂特征。

綜上，清管器螺栓安裝時(shí)預(yù)緊程度存在差異，導(dǎo)致部分螺栓承受載荷異常，在螺紋齒根附近萌生微小裂紋。清管器在作業(yè)過(guò)程中上坡、下坡、彎頭、彎管處運(yùn)行速度不穩(wěn)定，產(chǎn)生了較大振動(dòng)[3]，螺栓裂紋隨之?dāng)U展并最終斷裂失效。

4  結(jié)論與建議

（1）失效螺栓和同批次螺栓的桿體材質(zhì)為40 CrMo，屬于合金結(jié)構(gòu)鋼。該批次螺栓桿體化學(xué)成分、拉伸性能及金相檢驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)緊固性能等級(jí)要求，維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果介于GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)緊固性能等級(jí)要求10.9和12.9之間。

（2）失效螺栓斷口存在明顯疲勞輝紋，為典型的疲勞失效斷口。螺栓斷裂原因?yàn)槁菟�預(yù)緊程度存在差異，導(dǎo)致部分螺栓承受載荷異常，在螺紋齒根附近萌生微小裂紋，清管過(guò)程中產(chǎn)生的較大振動(dòng)誘發(fā)裂紋擴(kuò)展并最終斷裂失效。

（3）為消除清管器螺栓安裝時(shí)對(duì)預(yù)緊力控制不當(dāng)?shù)韧獠恳蛩�，要制定并�?shí)施合理的安裝工藝，采用力矩扳手對(duì)清管器連接件處螺栓進(jìn)行緊固，確保相同連接件的緊固力矩相同。改善部件連接緊固形式，安裝防松螺母，增加止動(dòng)墊圈。同時(shí)，清管作業(yè)時(shí)宜控制清管器運(yùn)行速度平穩(wěn)以減少?zèng)_擊，并且及時(shí)檢查和更換易損部件。

參考文獻(xiàn)：

[1]于興才，王普軍，周忠軍.油田用清管器的研制與應(yīng)用[J].化工管理，2019，(22)：140.

[2]楊琦，王尚衛(wèi)，程飛，等.30CrMo光桿斷裂失效原因分析[J].石油管材與儀器，2022，8(06)：70-73.

[3]程強(qiáng).清管器失效原因分析及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36(04)：3-5.

作者簡(jiǎn)介：田野，高級(jí)工程師，本科，2009年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，主要從事管道完整性研究工作。聯(lián)系方式：17799288776，tianye04@pipechina.com.cn。