压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效分析及改善措施

前言

近几年，压缩机的应用范围持续扩展，压缩机安装应用故障随之涌现，端盖螺栓拉伸断裂失效是其中之一。研究压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效及改善措施，可以帮助明晰压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效的原因，有针对性地解决螺栓拉伸断裂问题，确保压缩机安全、高效运行。但是，当前关于压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效的研究尚处于浅显阶段，无法为故障改善提供参考。为给压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效改善提供借鉴，本文提出围绕压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效的现象分析失效原因、改善措施的论点。

1 项目背景

压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效分析及改善项目由立项，立项金额为 40万元，周期为4 周。项目主要任务见表1。

表1 项目主要任务

由表 1 可知，压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效分析及改善项目任务较为繁重，不仅需要高效完成压缩机高压端盖螺栓螺纹处拉伸断裂改善作业，而且需要控制人工成本，避免二次返工，获得客户的认可。

2 压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效现象与原因

2.1 失效现象

端盖螺栓是压缩机至关重要的连接部分之一，不仅可以连接压缩机端盖与其他部件，保证部件相对位置合规固定，而且可以避免压缩机气体泄漏，维持压缩机内部的压力稳定[1]。在压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效分析及改善项目中，压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效位置是高压端盖螺栓螺纹处，断裂比例约 0.8% ，失效现象。

压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效是压缩机升压阶段突然出现的故障，断裂口呈现金属光泽的平滑面，伴随螺栓断裂出现高压气体渗漏，造成机械固定与密封失效，极易引发整体重大安全风险或压缩机停机事故。

2.2 原因分析

面对压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效问题，初步分析螺栓材质、性能、扭矩，确定螺栓材料质量合格。紧接着，针对安装过程中出现的螺栓拉伸现象，主导现场拆解，结合螺栓金相测试及机械性能测试结果，确认失效的原因见表2。

表2 压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效原因（局部）

由表 2 可知，压缩机高压端盖螺栓拉伸断裂失效原因包括工艺水平不高、检测不全面、摩擦系数控制不到位等。在明确压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效的原因后，项目人员可开展针对性改善，从根本上规避类似故障的出现。

3 压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效改善措施

3.1 工艺优化

表面处理工艺是压缩机高压端盖安装核心工艺之一，以往螺栓表面处理水平不高，造成螺栓根部应力集中，增加拉伸断裂失效风险[2]。因此，项目组人员可将传统螺栓表面处理工艺变更为锌片涂覆带润滑工艺，从源头解决螺栓根部应力集中问题，相关工艺要点。

锌片涂覆带润滑工艺是在螺栓表面预先设置锌基润滑复合材料，兼具润滑、防腐、可靠连接等优势，可从根本上改善压缩机高压端盖螺栓根部应力集中现象。螺栓锌片涂覆带润滑工艺要点局部见表3。

表3 压缩机高压端盖螺栓锌片涂覆带润滑工艺要点（局部

由表 3 可知，高压端盖螺栓锌片涂覆带润滑需要经过螺栓基体处理、材料选择、热浸涂覆、后处理几个环节。其中，热浸涂覆是螺栓表面处理优化的重点，也是难点。鉴于压缩机高压端盖螺栓摩擦系数定义为0.12-0.18，在确定材料为高纯度锌片与耐高压、耐高温、抗磨损固体润滑剂后，将纯锌片加热到熔融状态，添加少量二硫化钼颗粒或石墨颗粒，在高温状态下降熔融液均匀涂覆在螺栓螺纹表面，确保螺纹与支撑面完全覆盖。涂覆后第一时间利用水冷或风冷的方式降低螺栓表面温度，控制冷却速度适宜，避免过快冷却导致涂层开裂。

3.2 检测体系完善

压缩机高压端盖拉伸断裂为多源性振动疲劳断裂，与交变拉压应力下螺栓螺纹周边应力集中有关[3]。基于此，构建完善的压缩机端盖螺栓检测体系，有助于及时发现高压端盖螺栓断裂拉伸风险，及时进行控制。为避免破坏压缩机高压端盖安装期间的轴力，引入螺栓轴力仪，开展现场快速测试，测试要点见图 3°

由图 3 可知，压缩机高压端盖安装轴力检测的对象是螺栓轴向预紧力，旨在判定端盖与机体连接紧密度，避免高压气体泄漏。在连接轴力仪与压缩机高压端盖后，借助扭矩扳手对高压端盖螺栓施加相当于目标轴力 50% 的初始预紧力，此时，借助螺栓轴力仪进行初始轴力的检测。紧接着，继续拧紧螺栓至设计目标轴力，逐步加压拉伸螺栓，直到螺栓轴力仪显示轴力接近目标值，最终利用扭矩扳手拧紧螺母至目标扭矩值，期间借助应变片实时监测应变值并换算为轴力[4]。在初步检测后，模拟升温，动态补偿温度变化，修正初始预紧力。

整理相关参数，建立“扭矩-转角-轴力”标定曲线，对比一次拧紧、二次拧紧曲线，确定扭矩与转角近似线性，在完成压缩机高压端盖螺栓紧固扭矩及轴向力矩之间关系、紧固扭矩与轴向夹紧力之间关系现场验证的同时，满足非破坏轴力快速测试要求。

图3 基于螺栓轴力仪的压缩机高压端盖安装轴力检测要点

图5 基于摩擦系数仪的螺纹摩擦测定程序

图6 基于摩擦系数仪的支撑面摩擦测定程序

3.3 摩擦系数管控

摩擦系数与压缩机高压端盖螺栓拉伸断裂失效之间存在间接的关系，可通过安装预紧力传递影响螺栓受力状态，潜在诱发螺栓拉伸断裂失效[5]。因此，在确定摩擦系数对压缩机高压端盖断裂失效的根本影响后，项目人员借助摩擦系数仪测定螺纹及支撑面摩擦，测定程序见图5、图6。

由图 5 可知，在基于摩擦系数仪的螺纹摩擦测定前，需要检查摩擦系数仪是否完善，各连接件是否正常。确认无误后，借助标准砝码校准仪器并记录校准数据。完成校准后，将压缩机高压端盖螺栓垂直穿过摩擦系数仪的夹具，调整夹具位置，确保螺栓螺纹副与摩擦系数仪测量部件正确接触[6]。紧接着，借助摩擦系数仪的加载装置，施加初始轴向荷载，以恒定速度旋转螺栓，模拟实际安装过程中压缩机端盖螺栓紧固力，记录摩擦力数据，多次测量，根据摩擦系数公式，获得螺纹摩擦系数。

由图 6 可知，基于摩擦系数仪的支撑面摩擦测定与螺纹摩擦测定程序基本一致，重点是使用摩擦系数仪的水平加载装置，向支撑面施加水平方向力，促使支撑面与加载装置相对滑动产生摩擦力，此时，摩擦系数为多次测量获得摩擦力均值与法向荷载的比。在确定支撑面与螺纹摩擦系数后，利用多因素环境综合实验技术，模拟压缩机实际安装环境，验证摩擦系数以及不同环境因素对螺纹副、被连接件之间摩擦系数的作用机制，结合作用机制有针对性地控制摩擦系数。

结束语

综上所述，本研究结果说明了压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效现象的表现，得出了压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效的原因，论述了压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效的改善措施，突破了螺栓表面处理工艺优化难题，解决了非破坏轴力检测及“扭矩－转角－轴力”标定曲线建立问题，实现螺纹副与被连接件接触面摩擦系数的有效管控。研究期间通过压缩机端盖螺栓拉伸断裂失效改善措施的有效实施，减少二次返工工时约 300 小时/年，客户满意度较高，售后索赔成本显著下降。同时，本文对前人有关无油压缩机的气缸－活塞环摩擦磨损特性试验做了验证，结合螺纹副与被连接件接触面的摩擦系数管控要求进行优化。但是，本次研究仍然存在待完善空间，如压缩机端盖螺栓拉伸断裂智能化检测方法应用不到位等，下一步将尝试深耕压缩机的智能化检测，进一步降低项目人工成本。

参考文献：

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