连杆螺栓断裂的原因分析及案例分享

播报文章

因联科技iline

2021-10-14 17:11

关注

图1 连杆螺栓断裂

连杆螺栓断裂的原因如下：

1. 连杆螺栓拧得太紧或太松。拧得太紧，螺栓承受过大拉力而折断；拧得太松，工作时螺母松动，连杆大头瓦在连杆体内晃动，螺栓承受过大的冲击力而折断。因此拧紧螺母时要用扭力扳手按要求力矩上紧，或者用测量螺栓伸长量的方法来控制拉紧力。

2. 开口销折断引起连杆螺栓松动、断裂。

3. 连杆螺栓疲劳断裂。

4. 连杆螺栓的材质、锻压、热处理、加工、探伤和装配有问题（特别要注意螺栓的过渡圆角、退刀槽、螺纹表面的粗糙度是否符合技术要求）。

5. 连杆大头瓦过热，活塞卡住或超负荷运转，连杆螺栓因承受过大应力而折断。

6. 运动部件出现故障，对连杆螺栓产生较大冲击载荷（例如曲轴、十字头、活塞杆断裂）。

7. 长期使用达5000 ~ 8000h，未对连杆螺栓进行磁粉探伤和残余变形测量。如果螺栓有万分之一以上残余变形者均应报废。

某公司6M50-340/320-BX氨氢压缩机是六列六级对称平衡型氮氢气压缩机，轴功率4593kW，某年2月14日16：50，该机二段缸处发出了一声沉闷的巨响，整个厂房都能感觉到了振动，操作工紧急停车，到现场察看发现二段缸堵头冲开，煤气泄漏严重，检修工对其检查，发现二段连杆大头瓦螺栓断裂，二段连杆弯曲变形，二段十字头上下滑道靠主轴侧断裂脱落，主轴二段曲柄销处严重刮伤，二段缸堵头螺栓全部拉长。

该机2月14日事故的直接原因是：二段连杆两根大头瓦螺栓中的一根突然断裂，接着另一根也被拉断。螺栓断裂后，大头瓦盖与连杆体脱开，使运转着的主轴将二段连杆碰弯，同时将机身十字头滑道碰裂、十字头变形，且十字头带着活塞杆将二段气缸盖顶开，并将主轴二段曲柄销严重刮伤、引起变形。

对连杆螺栓断裂原因进行分析：

断裂的螺栓其螺杆材料为35CrMo，符合国家标准。螺母为35#钢，符合螺栓螺母材料的配合要求。35CrMo钢具有强度高、韧性好、淬透性强和高温强度高的特点，常用于制造重要的零部件和高温（≤480℃）下工作的螺栓。因此该螺栓的选材是合理的。

连杆螺栓结构如图2所示，螺栓结构是按弹性原则设计的，比较合理。因此，该螺栓的断裂可以确认不是结构方面的问题。

图2 连杆螺栓结构

该螺栓螺纹采用车刀车制而成，加工过程中螺纹部位不可避免会出现毛刺、划痕、刮伤、尖角、根切、挤压微裂纹等微观缺陷（这些缺陷在磁粉或着色探伤检测中不易发现或容易被忽视）这些缺陷便是应力集中点，当螺栓承受交变载荷时它就有可能发展为裂纹。而螺栓螺纹部位承受的载荷是不均匀的，螺纹与螺母相连处的第一圈螺纹约承受1/3的载荷，到了第8圈几乎没有载荷。因此大多数螺栓断裂都发生在第一圈附近，该螺栓也是在第1圈附近断裂。

螺栓断裂处断口无明显的塑性变形，裂纹源不明显，从断口看，裂纹先扩展至整个断面的65%后螺栓才突然断裂。断口部位并非螺栓的最小截面，因而可断定并不是因为螺栓承受负荷过大而导致断裂，如果是因为螺栓的负荷过大导致螺栓断裂，则螺栓的断裂部位应该是螺栓的最小截面处。连杆螺栓所受的力为螺栓初始预紧力和气体压缩过程中连杆传递过程的活塞力，即连杆螺栓所承受的负荷为交变拉应力，此应力时刻在变化着。由于螺栓承受的是交变载荷，因此它的破坏主要是疲劳破坏。当螺栓在加工过程中存在有毛刺、刀痕、微裂纹、内应力等缺陷时，这些缺陷在交变载荷下便会发展成为裂纹，并快速扩展，最终因不堪负重而突然断裂。

对断裂后的螺栓做了硬度分析和金相分析，硬度为HB292；金相组织为回火索氏体+铁素体，晶粗度为7-8级。对于35CrMo钢经调质处理后的金相组织应为回火索氏体，不允许有块状铁素体出现，否则将降低强度和韧性。由于其金相组织中存在铁素体，因此，该螺栓的调质是不符合要求的。

综上所述，该螺栓的断裂是制造加工不当而造成的疲劳断裂。