8萬(wàn)噸乙醛裝置螺栓斷裂失效分析

龐 勃，李廷取*，畢學(xué)文

(1.吉林化工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林 132022;2.吉林石化公司電石廠 丙烯酸酯車間，吉林 吉林132022)

螺栓連接是目前鋼架結(jié)構(gòu)的主要連接方式，高強(qiáng)度螺栓是繼鉚接、焊接之后發(fā)展起來(lái)的一種鋼結(jié)構(gòu)連接形式.它具有施工簡(jiǎn)單、可拆卸、承載大、耐疲勞、較安全等優(yōu)點(diǎn).因此，高強(qiáng)度螺栓連接已發(fā)展成為鋼結(jié)構(gòu)工程安裝的主要手段［1］.某單位8萬(wàn)噸乙醛裝置由35 m高的鋼架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中位于26.5 m位置的鋼結(jié)構(gòu)連接螺栓常發(fā)生斷裂，斷裂位置發(fā)生在螺桿和螺帽過(guò)渡處.此次我們拿到的連接螺栓斷裂失效件其材料為35CrMoA鋼，規(guī)格為M24×90 mm，螺栓力學(xué)性能4.8級(jí).35CrMoA鋼為高強(qiáng)度螺栓用鋼，由于其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))中含有 0.80 ～ 1.10%Cr、0.15 ～0.25%Mo，因而具有較高的淬透性和良好的強(qiáng)韌性［2-3］，

為了分析螺栓的斷裂原因，對(duì)斷裂螺栓的斷口形貌、化學(xué)成分、金相組織以及硬度進(jìn)行分析測(cè)試，并給出相關(guān)的改進(jìn)建議.

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

標(biāo)準(zhǔn)35CrMoA材質(zhì)和乙醛裝置斷裂失效的35CrMoA螺栓化學(xué)成分對(duì)比如表1所示，失效螺栓化學(xué)成分在斷裂螺栓上截取試樣，采用電感耦合等離子光譜儀(ICP)進(jìn)行主要元素的化學(xué)成分分析.可以看出，斷裂螺栓所用材質(zhì)的化學(xué)成分符合表1中GB/T 3077—1999合金結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分要求.可見，螺栓材質(zhì)化學(xué)成分不是造成螺栓斷裂的原因.

表1 35CrMoA鋼螺栓化學(xué)成分

1.2 金相檢測(cè)

對(duì)失效螺栓進(jìn)行取樣分析，對(duì)螺桿和螺帽過(guò)渡處進(jìn)行金相組織觀察，金相檢測(cè)結(jié)果見圖1.螺栓頭部圓周外緣部分組織為正?；鼗鹚魇象w，符合技術(shù)條件要求.

圖1 螺栓金相組織

圖2 硬度測(cè)試點(diǎn)位置分布

1.3 硬度檢測(cè)

在斷口附近螺桿部位橫向截取試樣，沿螺桿直徑方向進(jìn)行硬度梯度測(cè)試.測(cè)試點(diǎn)的位置分布見圖2，其硬度值見表2.

表2 洛氏硬度測(cè)試結(jié)果

結(jié)合表2和圖2分析可知，螺栓的硬度從表面到心部逐漸降低，且表面與心部硬度值相差較大.這說(shuō)明在淬火過(guò)程中，螺栓表層及其附近處存在較大內(nèi)應(yīng)力，這容易導(dǎo)致螺栓表面形成微裂紋等缺陷.

1.4 斷口分析

螺栓斷口(新斷裂斷口)處的宏觀形貌如圖3所示.從宏觀斷口形貌可以看出，裂紋從螺桿與螺帽過(guò)渡處開始萌生并擴(kuò)展開來(lái)，全部斷口表面比較平整，裂紋處也沒有發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷.A區(qū)域面積較小，有明顯的銹蝕痕跡，說(shuō)明這部分區(qū)域是在斷裂之前較長(zhǎng)時(shí)間已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋源，裂紋由此擴(kuò)展開來(lái);B區(qū)域面積稍大，無(wú)明顯銹蝕痕跡，且宏觀形貌較為均勻細(xì)致，所以這部分為裂紋擴(kuò)展區(qū)，裂紋逐步擴(kuò)展開來(lái);C區(qū)域占斷面的絕大部分面積，宏觀形貌粗糙、不均勻，出現(xiàn)大量溝壑，很顯然這是瞬斷區(qū)，由于超過(guò)承載能力而導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)，并導(dǎo)致最終的脆斷.

圖3 螺栓頭部宏觀斷口形貌

在存在腐蝕環(huán)境的條件下，微裂紋區(qū)域形成原電池，螺栓在使用時(shí)受拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用，腐蝕加速微裂紋擴(kuò)展，裂紋逐漸擴(kuò)展直到斷裂.

圖4 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM圖像

圖5 裂紋失穩(wěn)瞬斷區(qū)SEM圖像

螺栓斷口微觀形貌如圖4、圖5所示，從圖4可以看出，螺栓斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌為絕大多數(shù)的韌窩，且有相當(dāng)一部分韌窩的深度較大，這說(shuō)明材料的韌性良好.從圖5可以看出，螺栓斷口的裂紋失穩(wěn)瞬斷區(qū)微觀形貌為絕大多數(shù)的解理面，很顯然，這是由于承載應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限而發(fā)生的脆性斷裂.

2 斷裂原因分析

對(duì)螺栓斷口進(jìn)行宏觀形貌和微觀形貌觀察，當(dāng)應(yīng)力作用超過(guò)其屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展最終失穩(wěn)造成螺栓斷裂［4］.由圖6可以看出，螺栓的機(jī)加工精度不高，表面粗糙度較差，螺栓在制造過(guò)程中，因加工不當(dāng)所形成的皺疊、折疊、微裂紋等缺陷往往使螺栓螺紋在碾壓或滾壓成型或熱處理過(guò)程中引起進(jìn)一步開裂或擴(kuò)大，微裂紋在應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，疲勞源優(yōu)先在這些缺陷處萌生并形成多源疲勞斷裂.

圖6 斷裂處附近螺桿表面

螺栓斷口觀察到加工條痕，該條痕位于螺桿與螺栓頭部交界處，條痕上有明顯的腐蝕凹坑，表明該螺栓開裂前存在明顯的縫隙腐蝕.如圖5所示，外觀檢驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)螺栓光桿表面加工粗糙，這不僅成為應(yīng)力集中源，還為縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕提供了條件.

從螺栓零件斷裂的部位上看，斷裂發(fā)生在肩胛的根部，按照設(shè)計(jì)要求，螺桿部位與肩部連接端應(yīng)有滾花，長(zhǎng)約10 mm，其連接處應(yīng)留有半徑為0.5 mm的過(guò)渡圓?。?］.由于所提供的失效螺栓在螺栓頭部支承面到螺桿頸部的肩胛根部沒有過(guò)渡圓弧，這容易形成應(yīng)力集中.當(dāng)螺栓承載的應(yīng)力超過(guò)其斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在應(yīng)力集中處斷裂.

此外，由表2中的硬度測(cè)試結(jié)果可知，螺栓的表面硬度與心部硬度相差較大.這證明在淬火過(guò)程中，螺栓表層及其附近處存在較大內(nèi)應(yīng)力，很可能已經(jīng)產(chǎn)生了微裂紋，在長(zhǎng)期應(yīng)力腐蝕情況下更加速了裂紋源的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性斷裂.

3 結(jié) 論

1.經(jīng)過(guò)化學(xué)成分和金相組織檢驗(yàn)，原材料符合GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分要求.

2.螺桿與螺帽過(guò)渡處由于幾何尺寸因素，易造成熱處理和機(jī)加工應(yīng)力集中，是裂紋源的主要萌生處.

3.通過(guò)斷口形貌確定螺栓的斷裂屬于裂紋源在應(yīng)力腐蝕作用下擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致脆性斷裂.

4 預(yù)防及建議

1.裝配前或維修時(shí)應(yīng)對(duì)新更換的連桿螺栓進(jìn)行仔細(xì)的檢查，注意檢查螺栓的各部位表面是否有裂紋、凹痕等表面缺陷，確定無(wú)異常后才能裝配使用.

2.提高加工精度，機(jī)加工表面粗糙度要小，防止機(jī)加工時(shí)產(chǎn)生微裂紋、凹痕等缺陷.

3.加工螺栓零件時(shí)，適當(dāng)加大螺栓頭支承面到頸部的過(guò)渡圓角半徑，并用滾輪滾壓螺紋牙根凹處和螺栓頭部到栓桿的交接處圓角，減輕應(yīng)力集中.

4.設(shè)置合理的熱處理工藝參數(shù)，改善工藝［6］，淬火后立即進(jìn)行回火處理，防止螺栓表面因淬火內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生微裂紋.

［1］ 王伯琴，陳錄如，陳先鋒.高強(qiáng)度螺栓連接［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1991.

［2］ 朱躍峰，尹永晶，趙旭平，等.加工條件與毛坯尺寸對(duì)35CrMo鋼低溫沖擊性能的影響［J］.金屬熱處理，2006，03:80-84.

［3］ 孫維連，楊鈺瑛.35CrMo鋼拉桿顯微組織與性能［J］.金屬熱處理，2005，11:83-86.

［4］ 周海波，朱曉勇，鄭玉春，等.45鋼螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理，2009，12:107-109.

［5］ 劉澤坤.40Cr鋼螺栓斷裂分析［J］.理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2003，03:160-161.

［6］ 孫國(guó)峰，宣祎恂，江純偉.螺栓斷裂失效分析［J］.物理測(cè)試，2011，01:57-58，62.