預(yù)應(yīng)力錨桿疲勞壽命研究

王旺球，李莎莎，王 丹

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015；2.湖北三江航天紅林探控有限公司，湖北孝感 432000）

0 引言

高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿通過與混凝土的錨固自鎖作用和整體預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)，確保風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)擁有較強(qiáng)的抗拉、抗壓和抗彎能力，從而將風(fēng)機(jī)塔筒緊緊地固定在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)之上，滿足塔筒和風(fēng)機(jī)葉輪工作時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜載荷工況，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供安全可靠的基礎(chǔ)保障。風(fēng)機(jī)塔筒和葉輪組成的鋼結(jié)構(gòu)傳至風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的載荷為低頻往復(fù)拉伸載荷，在運(yùn)行年限內(nèi)各構(gòu)件都要承受不間斷的數(shù)十萬次的往復(fù)動(dòng)載，這一點(diǎn)不同于任何其他土建結(jié)構(gòu)的荷載工況。預(yù)應(yīng)力錨桿均是一次性構(gòu)件，無法更換，所以對(duì)材料力學(xué)性能要求甚高，預(yù)應(yīng)力錨桿不僅要滿足在荷載工況下的強(qiáng)度要求，也要滿足疲勞荷載要求。本文以某型預(yù)應(yīng)力錨桿為例，測(cè)定錨桿材料的疲勞S-N曲線，計(jì)算材料的疲勞極限，同時(shí)分析錨桿實(shí)際工作載荷，對(duì)錨桿產(chǎn)品組成的螺紋連接副進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，為錨桿的疲勞壽命設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 疲勞破壞特點(diǎn)

機(jī)械零件疲勞破壞時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯預(yù)兆，而是突然地破壞。即使一個(gè)在靜載下有大量塑性變形的塑性材料，在疲勞負(fù)荷下也顯示出類似脆斷的宏觀特征。但是疲勞斷裂和脆斷不同，從宏觀斷口上可以看出疲勞裂紋緩慢擴(kuò)展的過程，呈現(xiàn)貝殼狀條痕，而從微觀的電子斷口金相中可以看出疲勞裂紋尖端有明顯的塑性變形以及裂紋每周擴(kuò)展的距離。引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時(shí)的屈服強(qiáng)度。這是因?yàn)槠谄茐氖菑木植勘∪醯貐^(qū)開始的，這些地區(qū)的應(yīng)力集中很高，這可能是由于缺口、溝槽或零件的幾何形狀而造成的應(yīng)力集中，或者是由于材料的內(nèi)部缺陷而造成。疲勞裂紋在局部地區(qū)形成后，經(jīng)過很多周次的循環(huán)，逐漸擴(kuò)展到余下的截面不再能承受該負(fù)荷時(shí)便突然斷裂。疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分?，F(xiàn)今的疲勞測(cè)試技術(shù)已經(jīng)能揭示疲勞裂紋擴(kuò)展的不同階段，伴隨著斷裂力學(xué)的引入，在零件設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)可以對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 錨桿材料疲勞S-N曲線和疲勞極限

2.1 試驗(yàn)方法

《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》（GB/T 3075—2008）規(guī)定了室溫下金屬材料試樣軸向等幅力控制疲勞試驗(yàn)的方法，可以用來獲取金屬材料的疲勞S-N曲線。S-N法主要要求零件有無限壽命或壽命很長，因而應(yīng)用在零件受很低的應(yīng)力幅或變幅，零件的破斷周次很高，一般大于105周次，零件主要只發(fā)生彈性變形，亦即所謂高周疲勞的情況。加工標(biāo)準(zhǔn)試樣，設(shè)計(jì)不同的應(yīng)力水平進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，及不斷降載時(shí)，試樣的破斷周次不斷增加，若在某應(yīng)力下107次仍不斷裂，即可認(rèn)為此應(yīng)力低于疲勞極限。對(duì)于一般低、中強(qiáng)度鋼，當(dāng)σ b＜1 400 MPa時(shí)，如能經(jīng)受住107次疲勞試驗(yàn)而不發(fā)生疲勞斷裂，就可憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為永不斷裂，相應(yīng)地不發(fā)生斷裂的最高應(yīng)力稱為疲勞極限。

2.2 試驗(yàn)條件

以某型錨桿為例，在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前，依據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）測(cè)試了錨桿的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 錨桿力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

為測(cè)定錨桿材料的疲勞性能，依據(jù)《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》（GB/T 3075—2008）的要求，加工了一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)圓形疲勞試樣，測(cè)定不同應(yīng)力幅下的材料疲勞壽命，試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。根據(jù)表1的錨桿力學(xué)性測(cè)試結(jié)果，擬定的應(yīng)力幅為600 MPa、500 MPa、400 MPa、300 MPa、200 MPa、100 MPa，應(yīng)力比為-1。選用載荷為300 kN的高頻拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率為80 Hz，試驗(yàn)溫度為19.5℃～20.6℃，設(shè)定1 500萬次的疲勞循環(huán)次數(shù)，如達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)，試驗(yàn)自動(dòng)停止，如未達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)，記錄實(shí)際循環(huán)次數(shù)。

圖1 錨桿疲勞試樣（單位：mm）

2.2 試驗(yàn)情況

在中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了7組錨桿材料疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如表2所示。應(yīng)力水平為±400 MPa、500 MPa、600 MPa的疲勞試樣在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，試樣有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，經(jīng)受幾萬次或十幾萬疲勞載荷之后，試樣表面變色，試樣斷裂，試驗(yàn)自動(dòng)中止，試驗(yàn)之后的疲勞試樣如圖2所示。應(yīng)力水平為±100 MPa、200 MPa、300 MPa的試樣在經(jīng)受1 500萬次疲勞試驗(yàn)之后，試樣表面完好。根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果，繪制錨桿材料疲勞S-N曲線，如圖3所示。

表2 錨桿材料疲勞試驗(yàn)情況匯總表

圖2 ±600 MPa錨桿材料疲勞試驗(yàn)情況

圖3 錨桿材料S-N曲線

2.3 試驗(yàn)分析

由表1可知，錨桿材料的實(shí)測(cè)極限抗拉強(qiáng)度Su最小為936 MPa，當(dāng)承受拉壓循環(huán)載荷時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)公式可估算其疲勞極限Sf為：

可知在對(duì)稱循環(huán)（應(yīng)力比R=-1，平均應(yīng)力Sm為0的）條件下，應(yīng)力幅值為327.6 MPa時(shí)，錨桿材料的疲勞壽命可達(dá)107次，這與錨桿材料的疲勞S-N曲線也是吻合的，說明試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可信。

3 螺紋連接副疲勞壽命

3.1 疲勞壽命特點(diǎn)

由于試驗(yàn)方法的限制，致使S-N曲線以及用它作為疲勞抗力的指標(biāo)，具有某些局限性，沒有把疲勞裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展區(qū)別開來，沒能揭示出疲勞裂紋擴(kuò)展的各個(gè)階段，致使對(duì)實(shí)際零件的疲勞壽命難以作出定量的預(yù)測(cè)。錨桿和螺母組成的螺紋連接副的疲勞破壞和壽命不同于標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣，這是因?yàn)槠谄茐氖菑木植勘∪醯貐^(qū)開始的，這些地區(qū)的應(yīng)力集中很高，這可能是由于缺口、溝槽或零件的幾何形狀而造成的應(yīng)力集中，或者是由于材料的內(nèi)部缺陷而造成，因此對(duì)錨桿和螺母實(shí)際產(chǎn)品組成的螺紋連接副進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

3.2 錨桿載荷分析

以某型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為例，錨桿的初始預(yù)應(yīng)力為660 kN，在各種工況下，錨桿的拉伸載荷如表3所示。

表3 各種工況下的錨桿拉伸載荷

3.3 試驗(yàn)測(cè)試條件

為測(cè)定錨桿產(chǎn)品螺紋連接副的疲勞性能，設(shè)計(jì)制造專用工裝夾具，加工長度為600 mm長的錨桿，兩端螺紋長分別為200 mm，根據(jù)表3所示的錨桿載荷分析結(jié)果，選定不同的應(yīng)力水平，測(cè)定錨桿產(chǎn)品螺紋連接副在規(guī)定應(yīng)力幅下的疲勞壽命，試驗(yàn)原理如圖4所示。選用載荷為1 000 kN的低頻拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率為6 Hz，試驗(yàn)溫度為19.5℃～20.6℃，設(shè)定200萬次或1 000萬次的疲勞循環(huán)次數(shù)，如達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)，試驗(yàn)自動(dòng)停止，如未達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)，記錄實(shí)際循環(huán)次數(shù)。

圖4 錨桿產(chǎn)品螺紋連接副疲勞試驗(yàn)原理（單位：mm）

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院材料實(shí)驗(yàn)室采用低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行錨桿產(chǎn)品螺紋連接副進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，共進(jìn)行了6組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 錨桿螺紋連接副低頻疲勞試驗(yàn)情況

從表4可以看出，其中試驗(yàn)序號(hào)1和試驗(yàn)序號(hào)5的疲勞試驗(yàn)疲勞應(yīng)力水平為(470±110) MPa和(450±40) MPa，在經(jīng)受104萬次、110萬次疲勞載荷之后，錨桿螺紋處斷裂，螺母完好，如圖5所示。兩組試驗(yàn)的錨桿螺紋處疲勞斷口如圖6所示，可以看到，疲勞斷口明顯地分為兩個(gè)區(qū)域：較為光滑的裂紋擴(kuò)展區(qū)和較為粗糙的斷裂區(qū)。裂紋形成后，交變應(yīng)力使裂紋的兩側(cè)時(shí)而張開時(shí)而閉合，相互擠壓反復(fù)研磨，光滑區(qū)就是這樣形成的，載荷的間斷和大小的變化，在光滑區(qū)留下多條裂紋前沿線，至于粗糙的斷裂區(qū)，則是最后突然斷裂形成的。

圖5 錨桿螺紋連接副疲勞斷口位置

圖6 錨桿104萬次和110萬次斷裂后的疲勞斷口

以試驗(yàn)序號(hào)1所述的應(yīng)力水平為例，結(jié)合疲勞試驗(yàn)測(cè)試的設(shè)定條件，根據(jù)實(shí)測(cè)錨桿材料的疲勞極限，可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算疲勞壽命：

式中：m為系數(shù)，m=7.314；Su為材料的抗拉極限強(qiáng)度，Su=936 MPa；Sf為材料的疲勞極限強(qiáng)度，Sf=327 MPa。

計(jì)算得N=101萬次，與試驗(yàn)結(jié)果104萬次吻合。

錨桿產(chǎn)品螺紋連接副在(450±20) MPa的應(yīng)力水平下，可以經(jīng)受200萬次或1 000萬次的疲勞載荷，說明錨桿風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)實(shí)際工況下能夠達(dá)到1 000萬次的疲勞壽命，可以滿足風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的總壽命要求。(450±40) MPa的兩組疲勞試驗(yàn)，其中一組試驗(yàn)在110萬次試驗(yàn)時(shí)試樣斷裂，另一組在經(jīng)受200萬次試驗(yàn)后試樣表面正常，說明該種應(yīng)力水平下的疲勞壽命具有不穩(wěn)定性，與錨桿產(chǎn)品螺紋加工狀態(tài)和表面質(zhì)量等因素有關(guān)，錨桿在該種載荷下長時(shí)間運(yùn)行存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿的使用工況，首先測(cè)定了錨桿材料的疲勞S-N曲線，得到了材料的疲勞極限，并針對(duì)錨桿產(chǎn)品螺紋連接副進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1）錨桿材料疲勞試驗(yàn)表明，錨桿材料的疲勞極限約為300 MPa，與理論計(jì)算值327.6 MPa十分吻合。

2）錨桿產(chǎn)品螺紋連接副，在應(yīng)力水平450±20 MPa的工況下可以經(jīng)受200萬次或1 000萬次的疲勞載荷，說明錨桿在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)實(shí)際工況下可以達(dá)到1 000萬次的疲勞壽命，可以滿足風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的總壽命要求。

3）疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨桿必須首先保證材料力學(xué)性能要求，且有一定余量。預(yù)應(yīng)力錨桿施工時(shí)，必須嚴(yán)格控制張拉力，其初始預(yù)應(yīng)力一般不得超過公稱規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2的70%。

4）錨桿產(chǎn)品螺紋連接副的疲勞斷裂試驗(yàn)表明，應(yīng)嚴(yán)格控制錨桿原材料表面質(zhì)量，零件表面不得有裂紋、結(jié)疤、折疊及夾雜等缺陷，原材料應(yīng)進(jìn)行探傷。

5）本文所述的疲勞試驗(yàn)方法可用于預(yù)應(yīng)力錨桿或類似結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)和疲勞性能評(píng)估。