高壓螺栓失效原因檢驗方案設計

張彬

（萊茵技術（上海）有限公司，上海200072）

項目概況

來樣為某基地現場安裝過程中使用的螺栓，在安裝過程中出現斷裂問題。據現場情況介紹，安裝力矩為5500NM，在安裝數根螺栓后，出現第一根螺栓斷裂情況，后續安裝過程中出現了螺栓拉長（縮徑）的現象。

該螺栓規格為M48×400，材質為42CrMo，螺栓等級為10.9級。主要加工工藝為：原材料→下料→熱處理→精加工→滾絲→達克羅。為分析該螺栓的斷裂原因和影響因素，筆者通過檢驗方案設計，對斷裂失效的高壓螺栓進行了各項檢驗。

1 高壓螺栓理化檢驗方案設計

1.1 宏觀檢驗

對斷裂螺栓進行宏觀檢驗，觀察斷裂螺栓的宏觀形貌，借助肉眼及低倍放大鏡對螺栓的宏觀缺陷展開分析，由于斷口則儲存了大量失效特征，通過斷口宏觀形貌，可初步分析金屬材料在熱處理、使用過程中的缺陷。

斷裂位置位于距桿部5-8 個螺紋處，存在明顯的縮徑現象，斷口附近微小裂紋沿螺紋根部分布。

圖1 為螺栓斷口宏觀形貌，從圖中可見，斷口呈暗灰色，心部呈條帶狀撕裂痕跡，并呈螺旋狀分布，局部有磨損現象，為典型纖維狀斷口。

考慮到斷口形貌及斷裂時工況可知，螺栓在斷裂過程中受到了拉伸與扭轉雙重應力作用。在拉伸應力作用下，切向應力引起大量塑性變形，螺栓起裂于螺紋根部，出現縮頸現象。由螺紋根部向心部螺旋分布形貌說明，斷裂時存在較大的扭轉應力作用。裂紋源及最后斷裂區見圖1。

圖1 斷裂螺栓斷口宏觀形貌

1.2 化學成分檢驗

從斷裂螺栓上取樣進行化學成分分析，檢測結果見表1：

表1 化學成分分析結果 （%）

從化學分析結果可見，斷裂螺栓的化學成分符合GB/T3077-1999 中42CrMo 的要求。

1.3 力學試驗

在斷裂螺栓上取拉伸試樣、沖擊試樣進行力學性能試驗，結果見表2、表3：

表2 拉伸實驗結果

表3 沖擊實驗結果

從力學性能試驗結果可見，斷裂螺栓力學性能符合GB/T 3098.1-2010 標準要求。

1.4 金相檢驗

取斷裂螺栓的縱截面試樣，按GB/T13298-2015 標準進行制樣，隨后在光學顯微鏡下觀察，結果如下：

根據GB/T 10561-2005/ISO 4967:1998（E）標準中的實際檢驗A 法和ISO 評級圖進行評定：試樣中的非金屬夾雜物級別評為A0.5，B0，C1.5，D1.0。螺栓組織為：回火索氏體+少量鐵素體，心部存在偏析現象，見圖2 所示。

圖3- 圖6 為斷口邊緣及心部拋光態和顯微組織形貌，從圖中可見，斷口呈鋸齒狀分布，螺紋根部滾壓痕跡明顯，未見脫碳現象；圖7、8 為斷口下方螺紋根部微裂紋形貌，其裂紋走向類似于斷口形狀，為大應力作用下形成的微裂紋。

圖2 螺栓心部顯微組織100×

圖3 斷口（螺紋根部）拋光態100×

圖4 斷口（螺紋根部）顯微組織100×

圖5 斷口（心部）拋光態200×

圖6 斷口（心部）顯微組織100×

圖7 螺紋根部微裂紋拋光態50×

圖8 螺紋根部微裂紋顯微組織50×

1.5 低倍檢驗

在螺栓斷口下方截取橫向低倍試樣，根據標準GB/T226-1991 規定，經磨光后，使用1:1 工業鹽酸水溶液進行熱酸蝕試驗，與GB/T1979-2001 標準中的評級圖對比，該斷裂螺栓低倍組織缺陷評定級別為中心疏松1.0 級。

1.6 微觀斷口分析

將失效螺栓樣品置于丙酮內進行超聲波清洗，斷口清洗完畢后，置于掃描電子顯微鏡下觀察，螺栓斷口低倍形貌見圖9、10，圖中給出了裂紋源以及最后斷裂區的位置。通過觀察斷口裂紋源區微觀形貌可見，斷口形貌以韌窩為主，并有大塊撕裂特征。圖11-13 為最后斷裂區韌窩及準解理特征，從圖中可見，最后斷裂區形貌主要為韌窩特征，并伴有撕裂嶺及簡短而不連續的河流花樣（表現為準解理特征），這是由于螺栓強度較高，在較大外應力作用下，斷裂時速度較快，造成某些部位出現準解理特征。

圖9 裂紋源區低倍形貌

圖10 最后斷裂區低倍形貌

圖11 韌窩和準解理特征

圖12 韌窩和準解理特征

圖13 韌窩和準解理特征

2 螺栓失效原因分析

2.1 檢驗結果分析

2.1.1 斷口宏觀檢驗表明，斷口存在明顯的縮徑現象，附近微小裂紋沿螺紋根部分布，斷口呈暗灰色，心部呈條帶狀撕裂痕跡，并呈螺旋狀分布，局部有磨損現象。2.1.2 從化學分析結果可見，斷裂螺栓的化學成分符合GB/T3077-2015 中42CrMo 的要求；從力學性能試驗結果可見，斷裂螺栓力學性能符合GB/T3098.1-2010 標準要求。2.1.3 該斷裂螺栓低倍組織缺陷評定級別為中心疏松1.0 級；金相檢驗結果顯示非金屬夾雜物級別評為A0.5，B0，C1.5，D1.0；螺栓心部組織為回火索氏體+少量鐵素體，心部存在偏析現象；2.1.4 從斷口的微觀形貌可以看出，裂紋源區表現為韌窩特征，最后斷裂區為韌窩及準解理特征。綜上所述，上述檢驗結果表明，該螺栓在安裝過程中，受拉伸與扭轉雙重應力作用，螺栓由表面起裂，并在扭轉應力作用下向心部逐步擴展而斷裂。斷口存在明顯縮徑現象，表明斷裂過程中所受應力超過其屈服強度。通過拉伸實驗結果表明，其屈服強度為960MPa，抗拉強度為1070MPa，均符合GB/T3098.1-2010標準要求值。

2.2 使用失效原因

在螺栓安裝過程中，造成螺栓斷裂的原因主要有：a.材料性能達不到要求；b.安裝時施加扭力超過材料強度而過載。通過以上分析，該螺栓材料各檢測項均符合GB/T3098.1-2010 標準要求值，故螺栓性能符合要求。而影響安裝扭力的因素亦較多，主要有：a.扭力扳手未校準，輸入扭矩與顯示值不符；b.扭力扳手加力不均勻，沖擊施擰。沖擊擰緊時扭矩系數值比靜力擰緊時的扭矩系數小，因為鋼鐵的靜摩擦系數為0.1～0.12，而動摩擦系數為0.05～0.1。因此沖擊施擰時，螺栓受的預緊力要大于理論計算力（M=K·P·d，M- 扭矩，K- 扭矩系數，P- 預緊力，d- 螺紋公稱直徑）。故該螺栓在安裝過程中，可能存在扭力扳手未校準或施工人員沖擊施擰的現象。

3 結論

綜上所述，本文通過多種分析方法，結合現場情況，對高壓螺栓在安裝過程中發生斷裂的原因展開分析，認為M48×400 螺栓斷裂的主要原因在于，安裝過程中螺栓在拉伸與扭轉雙重應力作用下形成的過載斷裂。高壓螺栓失效原因檢驗方案設計旨在挖掘出高壓螺栓的失效機理，以提升產品質量、推進項目順利進行、避免生產事故。在項目開展過程中，基于檢驗結果，通過采用校準扭力扳手、避免施工過程中的沖擊施擰等措施，有效避免了高壓螺栓斷裂現象的發生，使得項目得以順利進行。