化工机械螺栓（共4篇）
化工机械螺栓 篇1
摘要：某化工设备地脚螺栓在运行过程中发生断裂, 通过对断裂螺栓采用化学成分分析、断口形貌分析、金相组织分析、扫描电镜、显微硬度分析等方法分析了其断裂原因。一系列分析表明, 正常断裂与异常断裂螺栓在化学成分、显微硬度、金相组织等方面没有明显差异, 说明这些均不是造成螺栓异常断裂的主要原因;正常断裂与异常断裂微观断口形貌分析结果表明, 螺栓芯部出现偏聚现象, 螺栓在调质高温回火的过程中, 发生偏聚继而导致了疲劳裂纹的萌生及扩展, 最终引发螺栓断裂。
关键词：化工机械螺栓,断裂失效,偏聚,裂纹
0 引言
地脚螺栓是化工机械设备中重要的连接件, 在化工机械设备中属于边缘研究范围, 因此往往被忽略, 而在实际化工设备运行中, 地脚螺栓的优劣对化工设备的运行十分关键[1,2], 是工程安装中重要的连接方式, 具有施工简单、装卸方便、疲劳强度高, 安全性能优良等一系列特点。紧固连接件的断裂失效可引起大量生产事故, 造成极其严重的后果, 并造成巨大损失。引起螺栓断裂失效的原因众多, 许多工程技术专家对工程实际中螺栓断裂失效进行了系统的研究:西安化工厂钱家宣等[3]从化工设备地脚螺栓的设计原理出发, 详细阐述了化工压缩机地脚螺栓设计步骤及算例, 从理论上对预防螺栓断裂进行了研究。刘俊伟等[4]对化工用高压容器断裂螺栓进行了失效分析, 研究表明螺栓断裂的主要原因在于切除螺栓冒口时余量不足, 使螺栓中出现夹杂物, 引起疲劳裂纹的萌生及扩展, 最终导致螺栓在拧紧过程中发生断裂。
1 存在的问题
某化工厂使用的大型设备地脚螺栓抗拉强度不合格, 在运行过程中发生了断裂, 为了找到该型螺栓不合格的原因, 将合格螺栓与不合格螺栓做拉伸试验进行对比研究, 螺栓示意图如图1所示, 中间竖线为螺栓断裂位置。该型螺栓主要加工工艺为:冷墩、调质、皂磷化处理。本文主要通过一系列手段对正常断裂螺栓与异常断裂螺栓进行断口宏微观扫描、化学成分及其含量分析、能谱分析及金相组织分析等, 对引起该厂45Mn2螺栓失效断裂原因进行分析, 为实际工程应用提供了有利的指导意义。
2 检验分析
2.1 化学成分分析
螺栓原材料化学成分的不均衡或者元素含量的偏低及偏高都会对螺栓紧固件的力学性能及疲劳性能等产生显著地影响, 利用SPECTROMETER光谱分析仪对正常断裂及异常断裂螺栓进行化学成分及其质量分数分析, 正常断裂、异常断裂螺栓成分见表1, 从表1中可以看出正常断裂螺栓与异常断裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金结构钢》中对45Mn2钢的要求, 因此, 可以认为化学成分对螺栓断裂失效没有影响。
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2.2 显微硬度分析
金属材料表面硬度是其综合力学性能的重要指标, 硬度不够会显著降低材料的耐磨性能等, 所以硬度指标在该厂螺栓断裂失效分析中也被应用。取平行于断裂界面的试样, 磨样、抛光并从表层到中心测量其显微硬度。正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的显微硬度值如表2所示, 从表2中可以看出, 正常断裂螺栓和异常断裂螺栓从表层到中心的维氏显微硬度都没有较为明显的变化规律, 同时正常断裂螺栓维氏显微硬度的平均值比异常断裂螺栓小一些。但是, 无论是正常断裂螺栓和异常断裂螺栓, 硬度均符合国标要求, 故该螺栓异常断裂与其硬度没有直接联系。
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2.3 断口形貌
2.3.1 宏观断口形貌
利用扫描电子显微镜 (Scanning Electronic Microscopy-SEM) 对正常断裂与异常断裂螺栓断口进行扫描分析, 从宏观断口形貌对两种断裂方式螺栓进行裂纹源、裂纹扩展区、裂纹瞬断区分析。图2 (a) 、2 (b) 所示为正常断裂螺栓、异常断裂螺栓宏观断口形貌图。正常断裂与异常断裂螺栓在拉伸过程中均没有明显的颈缩现象, 所以正常断裂螺栓与异常断裂螺栓均呈现典型脆性断裂特征。从图中能够看出, 正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面都出现明显裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区3个部分, 正常断裂螺栓疲劳裂纹源位于螺栓次表面, 而异常断裂螺栓裂纹源则出现在螺栓表层, 另外, 从疲劳裂纹扩展区的对比中可以看出, 正常断裂螺栓扩展区较异常断裂螺栓长, 这充分说明了正常断裂螺栓的疲劳寿命较异常断裂螺栓长[5,6]。正常断裂与异常断裂螺栓瞬断区表现为典型的静载瞬时特征, 并无明显异同。
2.3.2 微观断口形貌
取断口截面进行扫描电镜分析, 图3 (a) 、3 (b) 所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂面扫描电镜观察到的微观图像, 断口呈现明显的韧窝形貌, 为典型的微孔聚集型断裂特征, 从图中可以看出, 正常断裂螺栓韧窝等轴韧窝大小较为均匀, 大韧窝之间夹杂小韧窝, 表明螺栓是经过一定的塑性变形后才发生断裂。而异常断裂螺栓韧窝尺寸明显增大, 在大尺寸的韧窝中可以观察到明显的夹杂颗粒, 充分说明了夹杂颗粒是裂纹行核和扩展的有效途径, 同时, 异常断裂螺栓断裂面出现偏聚现象, 偏聚的出现可能是拉断过程中裂纹产生的源头。图3 (b) 所示为夹杂物所在位置, 图4为夹杂物能谱分析图, 表3为其对应的元素分析表, 从表中可以看出夹杂物中主要元素为O、Si, 并存在少量的Mg、Al、Ca元素, 其中O元素的含量很大, 故其杂物主要为Si O2, 存在少量的Mg O、Al2O3、Ca O2。夹杂物在螺栓材料中含量虽然不多, 但对产品的质量却有重要的影响, 这些夹杂物不仅能够削弱钢的强度及延展性, 而且某些夹杂物的存在能够明显降低材料的断面收缩率。夹杂物作为独立相存在于钢中, 极大地破坏了材料的连续性, 也使得组织内部的不均匀性增大[7,8]。
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2.4 金相组织分析
取平行于断裂截面的试样, 打磨、抛光并观察其组织形貌。图4所示为正常断裂与异常断裂螺栓试样断口剖面金相组织图, 从金相图可以看出, 两种断裂方式金相图无明显差异, 靠近螺栓外表面部分主要为板条状马氏体组织分布, 芯部组织主要为珠光体及少量不明显分布的网状铁素体及少许呈块状分布的铁素体组织, 正常断裂与异常断裂螺栓断口金相组织晶粒分布不均匀, 在铁素体之间有少量魏氏体析出, 另外, 螺栓断裂处存在轻微渗碳层, 深度约为0.2 mm。
3 结论
通过对化工机械设备断裂地脚螺栓进行一系列宏观力学性能与微观组织分析、化学成分分析、金相组织分析及显微硬度分析等, 对异常断裂螺栓进行失效分析后得出了以下结论:1) 螺栓原材料成分符合国家标准要求, 金相组织与其所使用热处理工艺正常组织一致, 材料的硬度也达到了国标要求, 充分说明了化学成分及材料硬度均不是螺栓断裂的主要原因;2) 金相组织分析表明, 正常断裂与异常断裂螺栓的断口金相组织晶粒分布不均匀, 在铁素体之间有少量魏氏体析出, 另外, 螺栓断裂处存在轻微渗碳层;3) 该化工设备地脚螺栓异常断裂的原因主要在于失效螺栓组织内部存在Si O2等夹杂物, 该夹杂物的存在从一定程度上降低了螺栓的抗拉强度, 另外, 夹杂物有利于裂纹源的形成, 能够降低螺栓的疲劳强度。
参考文献
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[8]彭其春, 赵金涛, 陈立鹏, 等.连铸过程DC04钢中夹杂物的研究[J].中国冶金, 2011, 21 (6) :5-8.
化工机械螺栓 篇2
一、地脚螺栓在预留孔中应垂直，无倾斜，
二、地脚螺栓任一部分离孔壁的距离a应大于15mm;地脚螺栓底端不应碰孔底，
三、地脚螺栓上的油污和氧化皮等应清除干净，螺纹部分应涂少量油脂。
四、螺母与垫圈、垫圈与设备底座间的接触均应紧密。
五、拧紧螺母后，螺栓应露出螺母，其露出的长度宜为螺栓直径的1/3～2/3。
化工机械螺栓 篇3
高强度螺栓根据国家标准采用合金钢经滚压螺纹制成,起重机械中螺纹连接型的螺栓应用相当广泛,其结构特点是被连接件的孔中不切制螺纹,螺栓与孔之间存有间隙。这种连接的优点是加工简便、成本低,适用于承受垂直于螺栓轴线的横向载荷。目前常用的制作原材料有优质碳素钢中的35号钢、45号钢,合金钢中的20锰钛硼钢等。常用的连接等级有8.8和10.9级。起重机械中的高强度螺栓主要用于重要的受力结构件的连接,如电动单梁起重机主梁与端梁的连接,通用桥式起重机两根主梁法兰部位的连接以及司机室与主梁的连接,门式起重机中主支撑腿与地面端梁以及主梁间法兰部位的连接。由此螺栓的连接强度以及牢固情况对起重机的安全运行具有至关重要的意义。
1高强度螺栓的预紧力
除个别情况外,螺栓中的螺纹在装配时均须拧紧,这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接,应控制其预紧力,因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性、强度和密封性均有很大影响。螺纹连接的拧紧力矩T等于克服螺纹副相对转动的阻力矩T1和螺母支撑面上的摩擦阻力矩T2之和,其中承受轴向工作载荷的轴向力由螺纹连接的要求决定,为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠,螺栓的预紧应力一般可达材料屈服极限的50%~70%。
通常在起重机械安装过程中,螺纹连接拧紧的程度是靠安装者的经验决定,这在实际检验中是无法控制的。为了能保证质量,重要部位的螺纹连接应按计算值控制拧紧力矩,可利用测力矩扳手或定力矩扳手获得所要求的拧紧力矩。通常,大型起重机械中使用的高强度螺栓有成百上千套,而且对其连接强度要求相当高,在实际安装过程中建议控制螺栓在拧紧前后发生的伸长变形量来达到更精确的预紧力控制。
2提高螺栓连接强度的措施
在实际使用过程中,螺栓往往会由于使用工况和受力情况的变化出现损坏,其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂,这是由于螺栓连接处承受的是轴向的交变载荷,通常发生在应力较集中且严重之处,即螺栓头部、螺纹尾部和螺母支承平面所在处的螺纹。影响螺栓强度的因素如下。
2.1降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围
螺栓所受的轴向工作载荷Fe在0~Fe间变化时,螺栓所受的总拉伸载荷Fa也作相应变化。减小螺栓的刚度或增大被连接件刚度都可以减小Fa的变化幅度,这一措施对防止螺栓疲劳损坏十分有利。为了减小螺栓刚度,可减小螺栓光杆部分直径、采用空心螺杆或增加螺栓的长度。
2.2改善螺纹牙间的载荷分布
采用普通螺母时,轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的,从螺母支承面算起,第一圈受载最大,以后各圈递减。理论分析和实验证明,旋合圈数越多,载荷分布不均的程度也越显著,到第8~10圈以后,螺纹几乎不受载荷。因此采用圈数多的厚螺母并不能提高连接强度。但若采用悬置(受拉)螺母,则螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉伸变形,有助于减少螺母与栓杆的螺距变化差,从而使载荷分布更加均匀。
3高强度螺栓连接的防松方法
起重机械在工作中会受到载荷变化以及振动、温度变化的差异等等复杂的工况条件,这时在冲击、振动和变载作用下,预紧力可能在某一瞬间消失,此时螺栓易出现松动现象,若螺栓朝下安装,更易出现螺栓松脱。此时易引起连接件间的相对滑移,存在较大的安全隐患,因此设计时应考虑防松措施。螺纹连接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动,根据工作原理不同归纳以下几种可以在起重机械中使用的防松方法。
(1)利用附加摩擦力防松。弹簧垫圈材料为弹簧钢,装配后垫圈被压平,其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力(图1a)。利用两螺母间的对顶作用使螺栓始终受到附加的拉力和附加的摩擦力。结构简单,在起重机械中使用较广(图1b)。螺母中嵌有尼龙圈,拧上后尼龙圈内孔被胀大,箍紧螺栓(图1c)。
(2)采用专门防松元件防松。槽形螺母拧紧后,用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽,也可以用普通螺母拧紧后再配钻开口销孔(图1d)。合垫片内翅嵌入螺栓(轴)的槽内,拧紧螺母后将垫片外翅之一折嵌于螺母的一个槽内(图1e)。将垫片折边以固定螺母和被连接件的相对位置(图1f)。
4结语
为减少起重机械中的安全隐患,防止发生事故,除选用符合国家标准和设计值的连接方式和螺栓外,还应从螺栓安装这一首道工序入手,切实控制好预紧力,并且选用合适的防松措施,防止其发生松动松脱。
参考文献
化工机械螺栓 篇4
连接套型号不同的报告
****有限公司：
关于本工程宗地0015地块塔式起重机未顺利安装事件，将具体情况向贵方呈报如下：
一、宗地0015地块塔式起重机安装工程概况
宗地0015地块塔式起重机规格型号QTZ80(6510-6),备案编号：粤BE-T03987，出厂编号：XUGOO80TCEPC04111,出厂日期：2016年07月12日，设备制造单位：徐州建机工程机械有限公司，安装单位：深圳市***机械租赁有限公司，使用单位：深圳***建筑工程股份有限公司。根据现场施工的实际情况及作业需求，经安装单位安装技术人员与我司相关技术人员研究决定对该安装塔式起重机进行减臂安装，即减除塔式起重机前平衡臂前段一节6米长的平衡臂，减臂后总长度为59米。根据生产厂家及说明书要求对后平衡臂的配重进行调整，即减去一块2.05吨的配重（总共安装7块2.05吨的配重）。59米平衡臂安装时的吊点进行相应的调整，相关数据：L=21.87米，G=7900KG。其他技术参数不变。此塔式起重机安装资料及安装告知书现已报送质安站，已批准并告知可执行安装。
二、事件发生过程及原因
2018年6月1日上午，安装单位安装技术人员到施工现场对宗地0015地块塔式起重机进行施工作业，施工作业人员先将3个标准节组装好（支腿固定式组装2个标准节B，底架固定式组装1个标准节B和1个标准节A，标准节B在下方),当施工作业人员使用汽车起重机对底架支座吊装准备与基础安设好的预埋支腿对准连接连接套时，发现基础安设好的预埋支腿地脚螺栓型号与底架支座连接套型号不完全吻合，高强度螺栓无法将底架支座与预埋支腿地脚螺栓连接牢固，该支腿地脚螺栓预埋在塔式起重机基础混凝土中，并与建筑承台连为一体，故塔式起重机安装时，无法取出，施工作业人员立即将现场情况反馈我司及安装单位、生产厂家相关负责人，三方火速对现场进行查看并告知停止作业，了解洽谈该事件的因果关系，讨论恰当的处理方案。
此事件发生的原因如下：
（1）安装单位管理人员监督存在漏洞，在预埋支腿地脚螺栓安装预埋时未及时发现此支腿地脚螺栓型号未能与塔式起重机型号吻合，未及时制止；
（2）安装单位计划使用规格型号为京龙QTZ125(Q6513)的塔式起重机，但发现此塔式起重机合格证已超深圳相关规定。此后使用规格型号为徐工QTZ80(6510-6)塔式起重机，但安装单位误将支腿地脚螺栓预埋成规格型号为京龙QTZ125(Q6513)支腿地脚螺栓，造成未能与规格型号为QTZ80(6510-6)塔式起重机安装条件吻合；
（3）安装单位施工作业人员责任心不强，工作马虎。
预埋支腿螺栓基础图
现场施工作业图
三、处理方案
三、处理方案
经过我司、安装单位、塔吊生产厂家相关专业技术人员认真研究，仔细推敲，共同探讨，结合现场情况（高强度螺栓预埋在基础混凝土中，不可改动）：
安装单位提出方案一：使用在回旋支撑两侧焊上回旋机构的法兰盘，预埋支腿支座的上平面通过销轴与塔身连接，下部与回转支轴内圈的上平面通过高强度螺栓连接，但生产厂家否定此方案进行，说明此方案并不能保证塔吊安装及使用的安全系数及塔吊吊装受力荷载，故此方案不成立。
安装单位提出方案二：由生产厂家按现场基础预埋情况设计定制生产一节塔式起重机转换节，重新制定相应的受力荷载计算书，计算受力荷载，以保证塔式起重机作业受力系数达到标准，办理出厂合格证。我司及生产厂家初步同意按此方案进行实施，认为此方案安全可行可实施。
四、事件总结
1、加强施工前施工作业人员技术交底，加强管理责任心教育，确保工人听懂、熟记于心，增强责任心，不蛮干、不乱干；增加现场管理人员数量，确保现场管理无漏洞；深度增强现场管理人员责任心，提升现场管理力度，防止类似事件再度发生；对现场每一项工序的质量严格掌控：对现场管理人员及各分包班组代表进行教育，如与突发情况及时向建设单位、代建单位、监理单位通报现场各种意外情况，及时解决，不拖拉。
2、塔吊安装完毕后，安装单位进行自检，申请政府检测部门进行检验检测，检测合格后申请建设单位、监理单位和安全监督部门组成联合验收小组进行验收，验收合格后方投入使用。
3、由于宗地***地块工程量较多，工期较为紧张，施工进度较为滞后，形势十分严峻。现考虑到多方因素，现场对于此塔式起重机的作业需求量较大，我司决定在此塔吊为安装调试完成前，施工过程中对起重作业有需求的所有施工工作，使用汽车起重机进行作业。
4、项目自合同签订以来，红牌、负二层破桩、桩基检测、临时排水、项目经理更换等事件历历在目。建议在暂时无法安装塔吊的情况下采取其他辅助措施，你们要等塔吊，遇到停工耽误安装，到头来还是出问题安装了。后续共同沟开挖，钢板桩还未打，通电走廊能否保证按时完成？1-9轴承台会不会受其开挖影响？
5、项目开始以来，你们支持、配合工作，一起解决了很多问题，付出了很多，在执行上，在关键问题的跟踪上，在现场值班、示范与压力传递上，都需要加强！进度上不来，施工进度受影响，集团整体利益受损，不求有功，但求心安！
深圳****建筑工程股份有限公司
********二期项目部