鐵路鋼橋高強度緊固螺栓斷裂分析及防護

摘要： "為探求高強度緊固螺栓發生斷裂的原因，對某鐵路鋼橋上斷裂的緊固螺栓進行了失效分析。利用掃描電子顯微鏡、能量色散X射線譜、金相顯微鏡、洛氏硬度儀、X射線熒光光譜儀、電子萬能試驗機等技術手段，對鐵路鋼橋失效螺栓的斷口形貌、斷口微區成分、顯微組織、硬度、螺栓用鋼的成分以及力學性能等方面進行分析與研究。結果顯示：螺栓用鋼的化學成分、硬度及力學性能均符合國家標準要求；螺栓斷口起裂區存在樹枝狀裂紋，裂紋內部有含硫的腐蝕產物，且螺栓工作時所受外力為交變載荷。因此，螺栓的斷裂是在交變載荷下發生的腐蝕疲勞斷裂。螺栓斷裂的初始裂紋源位于螺桿上螺紋的根部或螺柱與螺母連接位置的根部，為由硫元素引起的應力腐蝕裂紋。此研究為防止螺栓發生應力腐蝕裂紋及衍生病害提供了理論依據。

關鍵詞： 鋼橋；高強螺栓；應力腐蝕裂紋；疲勞；斷裂

中圖分類號： TG115 文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2023）02-0069-07

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Fracture analysis and prevention of high-strength fastening bolts

used in railway steel bridges

GUO Weimin1， DONG Youfu2， LEI Tai′an2， ZHANG Qinran2， LIU Guoqiang3，

LIU Guofei4， MENG Lingqiang4， TIAN Linan1， DING Ning1*

（1. Research Center of Failure Analysis and Engineering Safety Assessment， Shandong Analysis and Test Center， Qilu

University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250014， China;2.Yiyang Railway Management

Office of Shandong Hi-Speed Rail Transit Group Co.， Ltd.， Weifang 261000，China; 3. Shandong Institute of

Mechanical Design and Research， Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences），

Jinan 250031， China;4.Tiezheng Testing Technology Co.， Ltd.， Jinan 250014， China）

Abstract∶ Several high-strength fastening bolts were found broken on a railway steel bridge. Failure analysis of these bolts was performed to determine why they fractured and to prevent future bolt fractures. The fracture morphology， microarea-chemical analysis of the fracture， microstructure and hardness of the bolts， compositional contents， and mechanical properties of the bolt steel were analyzed by using scanning electron microscopy， energy dispersive X-ray spectrometry， optical microscopy， a Rockwell hardness tester， X-ray fluorescence spectrometry， and an electronic universal testing machine， respectively. The results indicate that the compositional contents， hardness， and mechanical properties are consistent with the 20MnTiB steel standard. In addition， dendritic cracks can be observed in the fracture initiation zones of the fastening bolts and the corrosion products in the cracks contain sulfur.The fastening bolts are subjected to cyclic loads in normal working conditions. Therefore， fractures of the fastening bolts were caused by corrosion fatigue fractures under cyclic loads. The cracks initiated at the root of the screw thread or the connecting point between the stud and nut， which are particularly vulnerable to stress corrosion cracks caused by the presence of sulfur.

Key words∶ steel bridge; high strength bolt; stress corrosion crack; fatigue; fracture

作為鐵路交通大動脈連接的關鍵節點，鐵路橋梁在交通中發揮著重要的作用[1-2]。鋼橋是鐵路橋梁里常見的一種橋梁結構，具有強度高、剛度大的特點。相比于混凝土橋，鋼橋可以減小梁高和自重，大量使用在大中跨度的橋梁上[3-4]。鐵路鋼橋多為桁梁橋和桁架拱橋，桁梁橋的桿件和節點較多，其鋼梁連接方式可采用焊接、鉚釘連接或螺栓連接。其中，螺栓連接一般使用高強度螺栓，安裝方便，適用于工地現場安裝，且強度高、易拆卸。然而，由于高強度螺栓的承載力很大程度上取決于螺栓桿的預拉力，因此施工要求較嚴格。并且，雖然高強度螺栓裝配完成后進行了整體涂裝，但螺栓與螺母之間、螺母與鋼梁節點板之間存在的縫隙仍容易侵入腐蝕性介質，有可能引起螺栓的腐蝕破壞。而由于螺栓自身承受的預緊力以及列車運行引入的交變載荷，都可能使這種破壞加劇，如不進行及時檢修維護，可能引起鋼橋的嚴重損害[5]。這就需要密切關注鐵路鋼橋的高強度緊固螺栓，并進行及時檢查和有效防護，以保證鋼橋整體的安全性和穩定性[6-8]。

本文分析了某鐵路鋼橋上的高強度緊固螺栓的斷裂原因，并在失效分析的基礎上系統討論了高強度螺栓的損傷防護措施，為鐵路鋼橋上高強度緊固螺栓的安全檢查與防護提供參考依據。

1鋼橋螺栓斷口理化檢驗

某鐵路單線鋼橋投入使用3年后，在上弦桿、腹桿等的連接交匯位置陸續發現多個高強度緊固螺栓發生斷裂并脫落（圖1（a））。該鋼橋為簡支鋼桁梁橋，桁梁之間通過高強度螺栓緊固連接。所使用的高強度螺栓為M22的10.9S級螺栓，材質為20MnTiB鋼。鋼橋在建成時表面進行了整體涂裝，因此，鋼橋所使用的高強度螺栓的表面均涂有防護漆。為確定螺栓斷裂失效原因，對發生斷裂的螺栓（圖1（b））進行了失效分析。

1.1螺栓斷口及周圍的宏觀形貌

在較強的光線下對斷裂的高強度螺栓用肉眼和低倍放大鏡進行了仔細觀察。發現螺栓斷裂發生于螺紋根部或螺栓與螺母的連接位置，斷裂方向與螺栓的軸向方向垂直，斷口表面比較平齊，斷口周圍未見明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，斷口表面還可見紅褐色腐蝕產物覆蓋（圖2）。

螺栓斷口的低倍放大形貌呈現出交變載荷導致的疲勞破壞特征。整個斷口大致可以分為A、B、C三個區域（圖2（a））。A區域為裂紋起始的位置，位于螺紋根部（或螺柱與螺母的連接位置根部，如圖2（b）所示），此處在結構上即存在應力集中。并且，A區域的表面呈棕黑色，比斷口表面其他區域的腐蝕破壞程度更高。B區是圖2（a）中黃色箭頭指示的大片平坦區域，為裂紋擴展區，約占整個斷面的70%。該區域可見明顯的反映疲勞裂紋擴展宏觀特征的“貝紋線”。C區是螺栓最后的斷裂區域，稱為瞬斷區，是疲勞斷裂的最后階段。

1.2斷裂螺栓的化學成分

從斷裂螺栓上截取試樣，制成符合成分分析要求的樣品，用X射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀進行成分分析，結果見表1。分析表明，該螺栓母材中C、Si、Mn、P、S、Ti、Cr、Ni和Mo的質量分數均符合國家標準GB/T 3077—2015［9］合金結構鋼對20MnTiB鋼的要求。

1.3螺栓斷口的微觀特征

將斷裂高強度螺栓的斷口清洗后放入掃描電子顯微鏡，進行仔細觀察。圖3為斷口起裂區（A區）的微觀形貌。由圖3（a）可知，裂紋源區由螺紋根部產生并向材料內部擴展，如圖3（a）黑色箭頭所示。源區內存在多個小臺階和棱線，說明整個源區是由多個更小的裂紋源組成（圖3（a）中紅色橢圓區域）。裂紋源區放大后可見典型的沿晶斷裂形貌，且可見大量沿晶微裂紋，如圖3（b）所示。在裂紋源區進行能量色散X射線譜（energy dispersive spectroscopy，EDS）分析發現，該區域除了含有螺栓材料的常規元素，還發現了具有腐蝕性的硫元素，分析結果及譜圖如圖4所示。

圖5為螺栓裂紋擴展區（B區）的微觀形貌，圖中可以看出，裂紋擴展區為沿晶斷裂與韌窩混合形貌。螺栓斷口瞬斷區（C區）的微觀形貌如圖6（a）和6（b）所示，該區域為螺栓最后斷裂的區域，呈現典型的“韌窩”狀微觀形貌。

1.4金相分析

金相檢驗是檢查材料冶煉、加工和熱處理后材料組織和缺陷狀況的有效方法。為了檢查斷裂螺栓的金相組織，分析人員從斷裂螺栓斷口裂紋源處截取了材料的橫截面金相試樣，經磨制、拋光后，用3 %（體積分數）的硝酸酒精溶液浸蝕，用光學顯微鏡進行金相觀察。

斷裂螺栓斷口橫截面裂紋源處的金相組織為回火索氏體，可見呈樹枝狀形態的多條裂紋，裂紋沿晶開裂，如圖7所示。裂紋內含有腐蝕產物（圖8），符合應力腐蝕的特征。遠離裂紋源處的金相組織為回火索氏體，無沿晶裂紋分布，如圖9所示。

1.5力學性能分析

1.5.1拉伸及沖擊性能

從斷裂螺栓上沿軸向截取拉伸試樣和沖擊試樣，進行室溫拉伸和沖擊試驗，所得力學性能如表2 所示。由分析結果可見，試樣的抗拉強度和沖擊吸收能量均符合GB/T 1231—2006［10］對10.9S級20MnTiB螺栓的要求。

1.5.2硬度

在斷裂螺栓斷口橫截面和縱截面進行洛氏硬度測試，所得結果如表3所示。可以看出，螺栓斷口橫截面和縱截面的洛氏硬度均符合標準GB/T 1231—2006對10.9S級20MnTiB螺栓性能的要求。

2開裂原因分析

由分析結果可知，斷裂高強度螺栓的化學成分、力學性能均符合國家標準要求，說明螺栓的斷裂不是因螺栓自身的質量問題導致。螺栓的斷裂失效是在交變載荷的作用下由腐蝕疲勞破壞引起的，屬于累積損傷破壞。腐蝕疲勞是在交變載荷和腐蝕性介質交互作用下形成裂紋及擴展的失效機制，由于腐蝕性介質會顯著降低材料的疲勞極限，相比一般的機械疲勞，腐蝕疲勞的破壞性更為嚴重。螺栓所受的交變載荷來自于螺栓的預緊力（主要為拉應力）及列車經過大橋時產生的震動引起的沖擊載荷的共同作用。由斷口分析可知，斷裂螺栓所承受的交變載荷幅值較小，遠低于材料的屈服強度。螺栓的疲勞裂紋源位于螺紋根部，該位置在結構上屬于應力集中的區域。

裂紋源處存在明顯的腐蝕開裂區域，其微觀形貌呈現沿晶開裂特征。并且，裂紋源處存在大量沿晶微裂紋，呈樹枝狀分布，裂紋內部填充有腐蝕介質，符合應力腐蝕裂紋的特征。這些應力腐蝕裂紋成為螺栓的疲勞源，并在交變載荷的作用下向螺栓基體材料內部擴展，最終導致螺栓發生斷裂。螺栓擰緊后所承受的預緊力為應力腐蝕的發生提供了必要的應力條件，裂紋源處發現的硫元素提供了應力腐蝕的介質條件。由于鋼橋為露天的結構設施，硫元素可能由大氣、雨水等自然環境因素引入。空氣中如果含有SO2、H2S等含硫元素的氣體，遇到雨水后會形成較弱的硫酸或濕硫化氫環境，與螺栓接觸后引起材料腐蝕。尤其是H2S，能夠引起非常嚴重的應力腐蝕，在結構件表面形成向材料內部縱深方向擴展的裂紋，成為疲勞源。

3結論與措施

該鐵路鋼橋高強度螺栓的斷裂是在交變載荷下發生的腐蝕疲勞斷裂，該類型斷裂不是由一次性過載引起的，而是疲勞裂紋不斷擴展、累積損傷的結果。螺栓斷裂的初始裂紋源位于螺桿上螺紋的根部（或螺柱與螺母連接處根部），為由硫元素引起的應力腐蝕裂紋。加強對鋼橋高強度緊固螺栓的周期性檢查，及時發現周圍環境變化，嚴格執行高強度緊固螺栓的涂裝和密封要求是防止螺栓發生應力腐蝕裂紋及衍生病害的有效途徑。

該鐵路鋼橋雖在建設時已進行了全面涂裝防護，但仍出現了高強度螺栓局部腐蝕破壞的現象，并最終引起了部分緊固螺栓斷裂。這就要求對鋼橋所使用的高強度螺栓進行周期性檢查，及時發現缺損和相關環境的變化，確認高強度緊固螺栓有無松動、脫落或斷裂，同時確認通過螺栓固定的桁梁節點板是否發生了滑動或破損。如有螺栓松動和缺損，應及時擰緊和修補更換。

擰緊螺栓時，須施加設計的預拉應力。更換的高強度螺栓，需滿足鋼橋設計要求，達到與初始裝配的螺栓同等級別，并進行質量抽檢。安裝螺栓時，需將栓孔的塵土、浮銹清除干凈，更換的螺栓表面也需要按照鋼橋的原設計要求進行涂裝。并且，高強度螺栓擰緊后，為防止雨水及潮濕空氣侵入螺栓與節點板縫出現腐蝕介質局部聚集，節點板束四周的縫隙應用油脂、膩子等封閉，以達到徹底防腐蝕的效果。

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