某電廠鋼結構高強螺栓表面疑似缺陷原因分析

劉天佐

摘 要：本文針對某電廠二期工程2×1000MW機組鋼結構所用高強螺栓表面發現疑似缺陷問題，進行了一系列理化試驗，包括化學成分、金相、硬度及楔負載試驗等，最終確定高強螺栓表面缺陷不是淬火裂紋，高強螺栓的化成成分、表面硬度、楔負荷性能、表面質量符合標準要求。

關鍵詞：高強螺栓；表面疑似缺陷；非淬火裂紋

中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）19-0144-01

1 概述

某電廠二期工程2×1000MW機組鋼結構所用高強螺栓表面發現疑似缺陷，為查明螺栓表面狀況及質量，對高強螺栓進行試驗分析。

取三個位置的高強螺栓：（1）3號爐一層、二層鋼架安裝螺栓4根；（2）3號爐三層鋼架更換后新到貨的高強螺栓3根；（3）4號爐一層鋼架更換后新到貨的高強螺栓3根。試驗螺栓規格均為M22，材質為ML20MnTiB，性能等級為10.9級。對試驗螺栓的依次編號為1～10號。

2 試驗內容

2.1 宏觀檢查

對高強螺栓進行觀察，發現螺栓大都存在表面疑似缺陷。存在的表面疑似缺陷可以分為三類，包括：頭部、桿部及螺牙上的直道形疑似缺陷、頭部環形疑似缺陷、螺牙表面細小疑似缺陷。相較而言，更換后螺栓的疑似缺陷形貌較淺，程度較輕。螺栓宏觀形貌如圖1所示。

2.2 化學成分分析

選取3號爐、4號爐新到貨的螺栓各1根進行化學成分分析，2根螺栓的化學成分均滿足GB/T 6478標準《冷墩和冷擠壓用鋼》對ML20MnTiB鋼的化學成分的技術要求。

選取3號爐、4號爐新到貨6、9號螺栓取樣進行氫含量分析，兩螺栓的氫含量均為0.9ppm，氫含量正常。

2.3 金相分析

除去進行楔負載試驗的兩根螺栓，其余螺栓均取樣進行金相分析。存在疑似缺陷的位置取垂直于疑似缺陷的試樣，螺栓螺紋取縱向試樣，金相試樣經砂紙粗磨、細磨和拋光后，用4%硝酸酒精溶液進行浸蝕，浸蝕后在OLYMPUS GX71型光學顯微鏡下進行金相觀察分析，結果表明：螺栓基體組織為回火索氏體，組織正常。

螺栓宏觀疑似缺陷的金相分析結果可知：螺栓桿部、頭部、螺牙的直道形缺陷呈凹槽狀，最大寬度0.34mm，最大深度0.18mm；螺栓頭部環形缺陷截面呈凹槽狀，寬0.16mm，深0.06mm，底部圓鈍；螺牙上細小缺陷為金屬折疊，深度最大0.43mm。

2、4、5號螺栓上直道形缺陷周圍的組織與螺栓表面組織一樣有輕微脫碳，這說明缺陷的形成應在淬火之前，不是淬火裂紋。

2.4 硬度試驗

對螺紋縱向金相樣、螺桿金相樣在Q30M試驗機上進行維氏硬度試驗，試驗載荷0.3kg，保荷時間12S，由試驗結果可知：螺紋部位芯部與螺紋底部、螺牙頂部位置硬度沒有明顯差別，螺桿芯部與表面硬度沒有明顯差別，即螺栓表面硬度滿足GB/T3098.1標準要求。

GB/T3098.1《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》規定：10.9級螺栓表面硬度不應比芯部硬度高出30個維氏硬度值，表面硬度不應大于390HV0.3。

2.5 楔負載試驗

對7、10號螺栓按照為GB/T3632《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接副》進行-10°的楔負載試驗，標準規定：10.9級的M22的螺栓拉力載荷范圍為315～376KN時，斷裂應發生在螺紋部分或螺紋與螺桿交接處。在7號螺栓加載370.50KN、10號螺栓加載375.90KN力時螺栓分別斷裂，斷裂位置在螺紋處，符合標準要求。

3 原因分析

高強螺栓的制造廠家技術標準為GB/T3632《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接副》。GB/T3632標準5.5條要求“螺栓的表面缺陷要求符合GB/T5779.1標準的規定”。

根據GB/T5779.1《緊固件表面缺陷 螺栓、螺釘和螺柱 一般要求》標準，螺栓頭部、桿部表面直道形缺陷應為 “原材料的裂紋和條痕”GB/T5779.1第3.2條）。標準要求：1）螺桿上裂紋或條痕的深度應≤0.03d；2）如果裂紋或條痕延伸到頭部，則不應超過對鍛造爆裂規定的寬度和深度的允許上限，鍛造爆裂的寬度≤0.08d。即對于送檢的M22螺栓，螺桿條痕深度應≤0.66mm，頭部條痕深度≤1.23mm（頭部直徑41mm）；頭部條痕寬度應≤3.28mm。高強螺栓上表面直道形缺陷的形狀及尺寸符合GB/T5779.1標準的要求。

2號螺栓存在頭部環形缺陷（宏觀如圖1），深度0.06mm，較為圓鈍。環形缺陷直徑約為22mm，與螺桿位于同一尺寸的軸向截面，應在頭部鐓鍛加工過程中產生。根據GB/T5779.1標準可歸屬于“凹痕”（GB/T5779.1第3.2條）。標準要求：凹痕深度≤0.02d（最大0.25mm））。對M22螺栓，凹痕深度≤0.25mm即為合格。送檢螺栓上的頭部環形缺的形狀及尺寸符合GB/T5779.1標準的要求。

螺栓的淬火裂紋發生在熱處理過程中，由于過高的熱應力和應變產生的，通常是不規則相交、無規律方向地出現在螺栓表面，一般容易在尖角、截面突變處形成。與送檢螺栓表面缺陷的形貌、位置有明顯不同。螺栓表面缺陷周圍組織有脫碳現象，這說明缺陷在高溫淬火前就已經存在。故從缺陷形貌、位置及產生的時間上可以判斷螺栓表面缺陷不是淬火裂紋。螺栓頭部、桿部的直線形缺陷為“原材料的裂紋和條痕”，頭部的環線形缺陷為“凹痕”，螺牙上的細小缺陷為“螺紋上的折疊”。

4 結語

高強螺栓頭部、桿部的直線形缺陷為“原材料的裂紋和條痕”，頭部的環線形缺陷為“凹痕”，螺牙上的細小缺陷為“螺紋上的折疊”，這些缺陷非淬火裂紋。高強螺栓的化成成分、表面硬度、楔負荷性能、表面質量符合標準要求。

參考文獻

[1]王亞兵.在役螺栓球網架結構M22高強螺栓的疲勞分析與試驗研究[D].太原理工大學，2015.

[2]劉麗君.螺栓球節點網架用高強螺栓的疲勞影響因素及缺口效應分析[D].太原理工大學，2003.endprint