排气法兰螺栓使用过程中断裂原因分析

任鹤 胡冰 刘行 张博 张晋

1.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司 辽宁沈阳 110869

2.沈阳鼓风机集团股份有限公司 辽宁沈阳 110869

某电厂现场对泵进行检修时发现一颗排气法兰螺栓断裂，其余螺栓锈蚀严重。螺栓断裂时泵运行时长为3222小时，约134天。为查找其断裂及锈蚀原因，从材料选择、热处理工艺、力矩选择以及现场安装环境进行分析，并做相关验证[1]。

1 材料选择

该泵排气法兰的材料为14Cr17Ni2马氏体不锈钢，具有较高的强度，并具有较好的耐腐蚀性，具有丰富的工程使用经验，自2010年10月至今，其他产品中14Cr17Ni2材质的螺栓，未出现过断裂、失效等情况，因此材料选择不是导致产生裂纹的原因。

2 材料热处理

2.1 热处理温度选择

14Cr17Ni2性能对热处理温度较敏感，500-550℃之间回火后韧性相对下降，存在回火脆性，一般说要避免在此区间回火。排气法兰螺栓硬度要求为285-321HB，回火温度选择为530±10℃，回火后水冷。

2.2 热处理试验

为验证不同回火温度下的性能，选取8组14Cr17Ni2锻件进行不同温度回火试验，性能见表1。可见530℃回火后两组试块平均冲击值达到69J，远高于标准要求的35J，说明热处理后材料韧性满足标准要求。

由此可以热处理参数选择不是材料产生裂纹的原因。

3 力矩选择

排气法兰螺栓安装力矩值为44N·m，具体计算过程如下：

3.1 力矩计算

式中：d——螺纹公称直径（mm）；0F——预紧力（N）；K——拧紧力矩系数，

根据经验，一般拧紧力矩取计算值的70%-80%，因此31N·m-64N·m都是允许的，所以小法兰拧紧力矩取44N·m在合理范围内。

3.2 强度校核

在预紧螺栓时，由于螺母和螺栓的螺纹间的摩擦，扳手上一部分力矩传递到螺栓上，螺栓产生切应力，这部分力矩为：

因此排气法兰螺栓安装时使用的拧紧力矩满足使用要求。

4 现场安装

从现场断裂照片来看，法兰前后管道不平行，导致螺栓倾斜受力，并与螺栓孔内壁接触，螺栓长期处于这种状态，容易发生局部应力集中及表面受损[2]。

5 结语

综上所述，该排气法兰螺栓的材料、热处理工艺及施加力矩均满足相关的标准或手册要求，结合螺栓的断裂形式、使用环境和服役状态，螺栓在现场安装过程中不经意的磕碰、划伤或长期处于不良的工作状态，导致螺栓表面钝化膜受到破坏，环境中的Cl-离子侵入到螺栓基体表面，在没有鉴别出表面受损及采取防护措施的情况下，腐蚀逐渐深入，在正常应力或局部应力集中的作用下，构成应力腐蚀条件，产生微裂纹，在长时间的作用下微裂纹逐渐增大，导致断裂失效[3]。