田野

国家管网集团西部管道公司

 

摘要：对清管器螺栓失效原因进行分析总结，有助于改进其结构及安装方式，延长使用寿命，保证运行安全。某管道开展清管器作业时发生了40 CrMo材质螺栓断裂后，采用宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、扫描电镜等方法对该批失效螺栓进行了失效分析。结果表明，该批螺栓的化学成分、拉伸试验、夏比冲击试验、硬度试验结果均符合GB/T 3098.1―2010标准要求。失效螺栓的金相组织为回火索氏体，其晶粒度等级为10.0。根据螺栓断口形貌确定其为典型的疲劳失效，断裂原因为螺栓安装时预紧程度存在差异，导致部分螺栓承受载荷异常，在螺纹齿根附近萌生微小裂纹。清管器运行过程中速度不稳定产生的较大振动，诱发裂纹扩展导致螺栓断裂失效。

关键词：清管器；40CrMo；螺栓；疲劳断裂

 

油气管道在建设及运行过程中，不可避免会产生施工废弃物和运行沉积物，这些杂质会影响管道的安全高效运行。为提高管道输送效率，保证作业安全，运营单位应定期对管道进行清管作业。管道清管器一般由主骨架、密封皮碗和电子发射机组成[1]，由压缩气体、水或管道输送介质推动，可分为直板型清管器、碟型清管器和直碟混合型清管器。清管器上紧固件是保证其正常运行的关键零部件之一，Q/SY 05262―2019《机械清管器技术条件》仅规定清管器紧固螺栓宜采用防松螺母对称拧紧，拧紧后螺杆出头宜在10 mm以内，但未考虑螺栓拧紧力矩不同对疲劳强度的影响。

2022年6月，某公司在天然气管道清管作业中出现了清管器螺栓失效断裂的问题。通过对失效螺栓宏观检验、理化性能检验及断口分析，明确其断裂原因，并提出针对性的预防措施和管理建议。

1  概况

清管作业全长148 km，最大高程差811 m，中间设4座阀室，管道壁厚根据地区等级和直弯管不同分为18.4 mm、19.1 mm、22 mm、26.4 mm和33 mm。本次运行清管器类型为两直四碟带测径板清管器，过盈量2.8%～5.1%，设备长度为2300 mm，运行期间平均速度4.1 m/s，清管器进出站及沿线跟踪点位未出现明显异响或异常振动。收球后经现场检查，清管器后端法兰盘处16根内六角圆柱头螺钉中有7根断裂，断裂部分为460 mm长节（主要为螺杆部分）和40 mm短节（螺纹部分），断裂位置一致（图 1 a）；4件已服役完好螺栓（图 1 b上）与3件失效螺栓（图 1 b下）为同一清管器上取样，该批螺栓执行标准为GB/T 3098.1―2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》，螺栓规格为M8，长度为500 mm，螺杆直径为15.5 mm，螺纹直径14 mm。

图 1 取样实物 

2  试验方法和结果

2.1  宏观检验

断裂发生在螺纹加工末端齿根位置，螺母距螺杆端部距离不一，螺栓杆体表面未见塑性变形，但存在轻微局部磨损，露出金属光泽，根据螺栓轴向长度推测磨损位置对应螺栓径向承载位置（图 2）。

图 2 失效螺栓外观形貌 

断口呈典型疲劳断裂特征，断口平齐。断口表面存在三个特征区域：疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区[2]。疲劳源区位于螺栓外表面，较为集中；扩展区光滑且有横纹，面积较大；瞬断区位于疲劳源区对面。通过对比分析失效螺栓螺杆外表面和断口启裂位置，可以发现3件失效螺栓的疲劳源区位置螺杆外表面为正常锈蚀状态，而疲劳断口的瞬断区螺杆外表面存在局部磨损（图 3）。

图 3 失效螺栓断口外观形貌 

2.2  理化性能检验

化学成分分析。依据GB/T 3098.1―2010产品标准对3件失效螺栓杆体进行取样化学成分分析，试验标准为GB/T 4336―2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》，分析设备为ARL4460直读光谱仪。参照GB/T 3077―2015《合金结构钢》标准要求，该批螺栓杆体应为合金结构钢，材质介于35 CrMo和42 CrMo之间，为40 CrMo。螺栓化学成分分析结果符合GB/T 3098.1—2010标准中10.9和12.9紧固件性能等级要求（表 1）。

表 1 化学成分试验结果（ %）

 

拉伸试验。在螺栓杆体上沿纵向取圆棒状试样进行拉伸性能试验，试样标距段直径为10 mm，标距段长度为50 mm。试验在UTM5305材料试验机上进行，执行GB/T 228.1―2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，参照GB/T 3098.1—2010进行结果比对，符合标准中12.9紧固件性能等级要求（表 2）。

表 2 拉伸试验结果

夏比冲击试验。在螺栓杆体上沿纵向取样进行冲击韧性试验，试样为夏比V型缺口冲击试样，尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。试验设备型号为PIT752D-2冲击试验机。结果显示螺栓吸收能量在51 J～53 J，剪切断面率为100%

硬度试验。在螺栓杆体上取样进行硬度试验（HBW2.5/187.5），试验设备型号为BH3000布氏硬度计，试验标准为GB/T 4340.1―2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》。参照GB/T 3098.1―2010进行硬度测试结果比对，该螺栓硬度平均值为376±12 ，符合GB/T 3098.1―2010标准中紧固件性能等级要求10.9 （316～375）和12.9（380～429）之间。

金相检验。在失效螺栓中选取一件试样对断裂区域（图 4）进行金相检验，试样编号1#。裂纹源区附近齿根位置存在微裂纹（图 5）。分别对螺纹牙顶、齿根及螺栓心部进行金相检验，未见异常。螺栓金相组织为回火索氏体、晶粒度等级为10.0。

图 4 1#试样取样位置及外观形貌 

图 5 1#试样齿根金相 

3  断口及断裂原因分析

3.1  断口分析

采用TESCAN VEGAⅡ扫描电子显微镜对断口（图 6）进行分析，扩展区较为整齐且有横纹，瞬断区出现小块缺失，断口呈典型疲劳断裂特征。1-1#螺栓断口源区为螺纹齿底位置，1-2#螺栓断口源区内存在多条棘轮花样（图 7）。两个样品的扩展区均存在明显的疲劳辉纹（图 8）。

图 6 螺栓断口低倍形貌 

图 7 螺栓断口源区形貌

图 8 螺栓断口扩展微观形貌  

3.2  断裂原因分析

外观检验发现失效螺母距螺杆端部距离不一，螺栓末端露出不同螺纹牙数，可推断出清管器上螺栓初始紧固程度存在差异。失效断裂发生在螺纹加工末端齿根位置，螺栓杆体表面未见塑性变形，但存在轻微局部磨损，根据螺栓轴向长度推测磨损位置对应螺栓径向承载位置。断裂部位附近螺纹齿根部存在微裂纹，断口呈典型疲劳断裂特征。

综上，清管器螺栓安装时预紧程度存在差异，导致部分螺栓承受载荷异常，在螺纹齿根附近萌生微小裂纹。清管器在作业过程中上坡、下坡、弯头、弯管处运行速度不稳定，产生了较大振动[3]，螺栓裂纹随之扩展并最终断裂失效。

4  结论与建议

（1）失效螺栓和同批次螺栓的杆体材质为40 CrMo，属于合金结构钢。该批次螺栓杆体化学成分、拉伸性能及金相检验结果均符合GB/T 3098.1—2010标准紧固性能等级要求，维氏硬度检验结果介于GB/T 3098.1—2010标准紧固性能等级要求10.9和12.9之间。

（2）失效螺栓断口存在明显疲劳辉纹，为典型的疲劳失效断口。螺栓断裂原因为螺栓预紧程度存在差异，导致部分螺栓承受载荷异常，在螺纹齿根附近萌生微小裂纹，清管过程中产生的较大振动诱发裂纹扩展并最终断裂失效。

（3）为消除清管器螺栓安装时对预紧力控制不当等外部因素，要制定并实施合理的安装工艺，采用力矩扳手对清管器连接件处螺栓进行紧固，确保相同连接件的紧固力矩相同。改善部件连接紧固形式，安装防松螺母，增加止动垫圈。同时，清管作业时宜控制清管器运行速度平稳以减少冲击，并且及时检查和更换易损部件。

 

参考文献：

[1]于兴才，王普军，周忠军.油田用清管器的研制与应用[J].化工管理，2019，(22)：140.

[2]杨琦，王尚卫，程飞，等.30CrMo光杆断裂失效原因分析[J].石油管材与仪器，2022，8(06)：70-73.

[3]程强.清管器失效原因分析及质量标准控制研究[J].中国石油和化工标准与质量，2016，36(04)：3-5.

作者简介：田野，高级工程师，本科，2009年毕业于华中科技大学，自动化专业，主要从事管道完整性研究工作。联系方式：17799288776，tianye04@pipechina.com.cn。