8萬噸乙醛裝置螺栓斷裂失效分析

龐 勃，李廷取*，畢學文

(1.吉林化工學院材料科學與工程學院，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構的主要連接方式，高強度螺栓是繼鉚接、焊接之后發展起來的一種鋼結構連接形式.它具有施工簡單、可拆卸、承載大、耐疲勞、較安全等優點.因此，高強度螺栓連接已發展成為鋼結構工程安裝的主要手段［1］.某單位8萬噸乙醛裝置由35 m高的鋼架結構構成，其中位于26.5 m位置的鋼結構連接螺栓常發生斷裂，斷裂位置發生在螺桿和螺帽過渡處.此次我們拿到的連接螺栓斷裂失效件其材料為35CrMoA鋼，規格為M24×90 mm，螺栓力學性能4.8級.35CrMoA鋼為高強度螺栓用鋼，由于其化學成分(質量分數)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韌性［2-3］，

為了分析螺栓的斷裂原因，對斷裂螺栓的斷口形貌、化學成分、金相組織以及硬度進行分析測試，并給出相關的改進建議.

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

標準35CrMoA材質和乙醛裝置斷裂失效的35CrMoA螺栓化學成分對比如表1所示，失效螺栓化學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)進行主要元素的化學成分分析.可以看出，斷裂螺栓所用材質的化學成分符合表1中GB/T 3077—1999合金結構鋼化學成分要求.可見，螺栓材質化學成分不是造成螺栓斷裂的原因.

表1 35CrMoA鋼螺栓化學成分

1.2 金相檢測

對失效螺栓進行取樣分析，對螺桿和螺帽過渡處進行金相組織觀察，金相檢測結果見圖1.螺栓頭部圓周外緣部分組織為正常回火索氏體，符合技術條件要求.

圖1 螺栓金相組織

圖2 硬度測試點位置分布

1.3 硬度檢測

在斷口附近螺桿部位橫向截取試樣，沿螺桿直徑方向進行硬度梯度測試.測試點的位置分布見圖2，其硬度值見表2.

表2 洛氏硬度測試結果

結合表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.這說明在淬火過程中，螺栓表層及其附近處存在較大內應力，這容易導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渡處開始萌生并擴展開來，全部斷口表面比較平整，裂紋處也沒有發現機械損傷.A區域面積較小，有明顯的銹蝕痕跡，說明這部分區域是在斷裂之前較長時間已經產生的裂紋源，裂紋由此擴展開來;B區域面積稍大，無明顯銹蝕痕跡，且宏觀形貌較為均勻細致，所以這部分為裂紋擴展區，裂紋逐步擴展開來;C區域占斷面的絕大部分面積，宏觀形貌粗糙、不均勻，出現大量溝壑，很顯然這是瞬斷區，由于超過承載能力而導致裂紋失穩，并導致最終的脆斷.

圖3 螺栓頭部宏觀斷口形貌

在存在腐蝕環境的條件下，微裂紋區域形成原電池，螺栓在使用時受拉應力和腐蝕介質共同作用，腐蝕加速微裂紋擴展，裂紋逐漸擴展直到斷裂.

圖4 裂紋擴展區SEM圖像

圖5 裂紋失穩瞬斷區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，螺栓斷口的裂紋擴展區微觀形貌為絕大多數的韌窩，且有相當一部分韌窩的深度較大，這說明材料的韌性良好.從圖5可以看出，螺栓斷口的裂紋失穩瞬斷區微觀形貌為絕大多數的解理面，很顯然，這是由于承載應力超過強度極限而發生的脆性斷裂.

2 斷裂原因分析

對螺栓斷口進行宏觀形貌和微觀形貌觀察，當應力作用超過其屈服強度，產生裂紋，裂紋逐步擴展最終失穩造成螺栓斷裂［4］.由圖6可以看出，螺栓的機加工精度不高，表面粗糙度較差，螺栓在制造過程中，因加工不當所形成的皺疊、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程中引起進一步開裂或擴大，微裂紋在應力作用下，容易產生應力集中，疲勞源優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，外觀檢驗還發現螺栓光桿表面加工粗糙，這不僅成為應力集中源，還為縫隙腐蝕和應力腐蝕提供了條件.

從螺栓零件斷裂的部位上看，斷裂發生在肩胛的根部，按照設計要求，螺桿部位與肩部連接端應有滾花，長約10 mm，其連接處應留有半徑為0.5 mm的過渡圓弧［5］.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渡圓弧，這容易形成應力集中.當螺栓承載的應力超過其斷裂強度時，就會在應力集中處斷裂.

此外，由表2中的硬度測試結果可知，螺栓的表面硬度與心部硬度相差較大.這證明在淬火過程中，螺栓表層及其附近處存在較大內應力，很可能已經產生了微裂紋，在長期應力腐蝕情況下更加速了裂紋源的擴展，最終導致脆性斷裂.

3 結 論

1.經過化學成分和金相組織檢驗，原材料符合GB/T3077-1999合金結構鋼化學成分要求.

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

3.通過斷口形貌確定螺栓的斷裂屬于裂紋源在應力腐蝕作用下擴展，并最終導致脆性斷裂.

4 預防及建議

1.裝配前或維修時應對新更換的連桿螺栓進行仔細的檢查，注意檢查螺栓的各部位表面是否有裂紋、凹痕等表面缺陷，確定無異常后才能裝配使用.

2.提高加工精度，機加工表面粗糙度要小，防止機加工時產生微裂紋、凹痕等缺陷.

3.加工螺栓零件時，適當加大螺栓頭支承面到頸部的過渡圓角半徑，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，減輕應力集中.

4.設置合理的熱處理工藝參數，改善工藝［6］，淬火后立即進行回火處理，防止螺栓表面因淬火內應力產生微裂紋.

［1］ 王伯琴，陳錄如，陳先鋒.高強度螺栓連接［M］.北京:冶金工業出版社，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(物理分冊)，2003，03:160-161.

［6］ 孫國峰，宣祎恂，江純偉.螺栓斷裂失效分析［J］.物理測試，2011，01:57-58，62.