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專業知識

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風電塔筒地腳螺栓斷裂失效分析

2020-03-03

        在一風電施工現場,塔筒地腳螺栓在安裝擰緊過程中斷裂失效。通過對斷裂螺栓斷口宏觀形貌、化學成分、力學性能以及金相組織等進行檢測和分析,發現螺栓表面經過鍍鋅處理,螺栓在鍍鋅前螺紋表面已存在一些微裂紋,鍍鋅過程又引起螺栓脆性增加,從而導致其發生早期斷裂失效。
1、理化檢驗
1.1 宏觀斷口觀察

圖1為選取某公司提供的3支已斷裂的螺栓(1#、2#、3#)的整體形貌,其斷口形貌如圖2所示。斷裂位置為螺栓螺紋部分,距螺栓端面300mm。從圖2可見,裂紋源位于螺紋絲扣底部,多條裂紋源由四周表面向中心擴展,斷口附近沒有縮頸現象。

圖1
圖2
1.2 化學成分分析

為檢驗斷裂的高強度螺栓化學成分是否合格,選取1#螺栓,根據GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法》,利用JS-DN328型電腦多元素快速分析儀進行元素含量分析,結果如表1所示。所測元素含量符合GB/T3077-2015《合金結構鋼》技術要求。

1.3 力學性能測試

選取斷裂螺栓,通過車削去除斷裂部分螺紋后,根據GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》,利用WEW-1000B微機屏顯液壓式萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗,試驗結果如表2所示??梢?測試所得試樣的屈服強度、抗拉強度明顯高于GB/T3098.1-2010標準中對等級為10.9S螺栓的要求。由于試棒斷裂處與最接近的標距標記的距離小于原始標距的1/3,未測得斷后伸長率。

1.4 硬度測試

硬度試驗采用GB/T230.1-2018《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分:試驗方法》,利用HR-150A洛氏硬度計對該斷裂螺栓的斷口附近螺栓橫截面的近表面處與半徑1/2處進行硬度檢測,試驗結果如表3所示??梢?試樣的近表面硬度及半徑1/2處硬度均高GB/T3098.1-2010標準要求。

1.5 金相檢測

取斷口裂紋源處縱向試樣進行金相檢測,結果如圖3所示。三件樣品的基體組織均為回火索氏體,組織為正常熱處理調質組織,非金屬夾雜物也屬正常情況。

圖3

圖4為通過金相顯微鏡觀察得到的高強度螺栓鍍鋅層與基體結合面的圖像。通過對圖4中鍍鋅層的測量,可得樣品鍍鋅層的厚度。1#樣品鍍鋅層厚度為0.08~0.12mm,2#樣品鍍鋅層厚度為0.07~0.11mm,3#樣品鍍鋅層厚度為0.08~0.10mm。通過對圖4的進一步觀察可以看到,三件樣品鍍鋅前螺紋表面已存在裂紋,鍍鋅層沿裂紋已滲入基體,且鍍鋅層與基體結合不致密,螺栓受力后裂紋尖端繼續向基體內部擴展至一定深度。其中,3#樣品鍍鋅層與基體結合面處微裂紋較多。對圖5所示位置進行測量發現,鍍鋅前螺紋表面裂紋長度0.15mm,鍍鋅后裂紋尖端產生的二次微裂紋滲入基體深度為0.19mm

圖4
2、分析與討論

失效螺栓的理化檢驗結果表明,螺栓材料化學成分、基體組織和非金屬夾雜物均符合GB/T3098.1-2010等標準的有關技術要求。高強度螺栓的斷裂段金屬屈服強度和抗拉強度較高,斷口附近硬度高于標準范圍,表明螺栓熱處理工藝不妥,回火溫度偏低,且螺栓44~45HRC的高硬度值加劇了其鍍鋅以后的脆性傾向

圖5

通過斷口宏觀形貌觀察發現,斷口沒有縮頸現象,表明該高強度螺栓屬于脆性斷裂。

鍍鋅時產生的氫氣會滲入金屬基體晶格中,造成晶格扭曲,內應力增大,產生脆性。高強度螺栓經過一定時間鍍鋅后,如果不進行除氫處理,會導致脆性大幅度增加。金相檢驗發現,該批螺栓在鍍鋅前螺紋表面已存在大量微裂紋,鍍鋅后鍍鋅層能夠滲入基體,裂紋尖端處氫濃度更高,脆性更大,并導致原有裂紋尖端產生二次微裂紋

3、結論與建議

該鍍鋅高強度螺栓斷裂的主要原因是鍍鋅前螺紋表面存在微裂紋,鍍鋅處理引起的螺栓脆性增加導致其早期斷裂失效。建議首先改進螺紋表面質量,杜絕螺栓表面有微裂紋存在;其次,在鍍鋅后進行除氫處理。高強螺栓鍍鋅過程中,由于釋放的氫氣可侵入零件表面引起材料的脆性,因此高強度螺栓在鍍鋅后必須進行除氫熱處理,且這個過程要進行充分,從而防止此種斷裂現象的發生。需要注意,除氫處理越早越好,一般應在鍍鋅后2h以內進爐熱處理,采用180~200℃加熱,保溫4~6h后出爐空冷即可。

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