10.9級高強地腳螺栓質量控制研究

徐紹婷

（中交二公局第五工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 工程概況

翔安機場快速路工程分南北2段，雙向6車道（高速公路并結合城市快速路標準），設計速度100km/h，全長17.5km，其中南段跨南港海峽至大嶝島，居廈漳泉閩南“金三角”中心地帶。主線護欄結構形式為混凝土底座加金屬梁柱式護欄的SS結構形式，護欄立柱和底座采用地腳螺栓連接，原設計平均每千米使用12 000個10.9級高強地腳螺栓。

常用的高強地腳螺栓原材料由牌號分別為40Cr和35CrMo 2種材質的鋼材經過調質后得到。翔安機場項目鋼材原材料廠家是某特鋼有限公司生產的熱軋圓鋼，熱處理廠為某調質廠。在施工過程中需清楚認識到，設計要求的高強地腳螺栓質量要高于普通地腳螺栓，由于沒有高強地腳螺栓的現行行業規范，加大了對10.9級高強地腳螺栓的質量控制難度。考慮到高強地腳螺栓在防撞護欄傳力過程中的重要作用，同時為避免施工過程中出現不合格情況，需將其質量控制作為施工控制的重點工作。本次研究通過對地腳螺栓原材及調質工藝的分析，總結出高強地腳螺栓易出現問題的原因，并采取積極有效措施進行質量控制。

2 高強地腳螺栓調質

高強螺栓調質分為加熱、淬火、回火3個過程。

2.1 加熱

加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理中加熱方法很多，現在主要是電爐加熱，電的應用使加熱易于控制。金屬加熱時，金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝等方法進行保護加熱。加熱溫度的選擇和控制是保證熱處理質量的重要環節，加熱溫度隨被處理的金屬材料的不同來選擇。熱處理的目的不同，則加熱的溫度也不同，任何情況下，要達到加熱處理效果一般都要加熱到相變溫度以上。另外，相變的轉變過程需要一定的時間，因此，當工件表面加熱達到設定的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫度均勻一致，使顯微組織相變轉變完全。

2.2 淬火

從狹義上說，淬火就是把鋼件加熱到臨界溫度以上后，保溫一定時間，使奧氏體完全轉化后再以大于臨界冷卻速度冷卻，從而獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。淬火時的快速冷卻會使工件內部產生內應力，當其達到一定程度時工件便會發生扭曲變形甚至開裂。為此，必須選擇合適的冷卻方法。根據冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體溫淬火4類。根據淬火介質不同，主要有水冷淬火、油冷淬火、空氣冷淬火[1]。

鋼淬火的主要目的是提高鋼件的硬度、強度、耐磨性等，并與各種回火工藝配合提高鋼的強韌性或彈性等，以滿足各種機械零件和工件的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。淬火前要保證工件表面不能有直裂紋、碰傷、缺邊、銳邊、尖角、銹蝕，淬火前應明確硬度要求，從而選擇合適夾具。正式淬火之前需試淬，試淬后的工件需進行試驗檢測合格，根據試淬所確定的淬火工藝方可批量生產，在生產中需經常抽檢，防止質量波動和質量不均勻。

對于截面承載均勻的重要構件，如螺栓、連桿等要全部淬透，例如，35CrMo熱軋圓鋼淬透性好，經淬火后抗拉強度顯著提高，試驗結果如表1所以。

表1 35CrMo熱軋圓鋼淬火前后抗拉強度對比

2.3 回火

回火是指將淬火鋼加熱到低于臨界點某一溫度，保溫適當時間后置于空氣或水中冷卻的工藝。回火的目的有2個：（1）減少或消除淬火內應力，防止變形開裂；（2）獲得所需要的力學性能。淬火鋼一般硬度高、脆性大，回火可調整其硬度、韌性。淬火后的馬氏體或殘余奧氏體常溫下為亞穩定狀態，回火后可轉變為穩定狀態。

2.4 調質過程中易出現的質量問題

調質是影響地腳螺栓質量的最重要環節，翔安機場路項目使用的地腳螺栓是調質廠加工的。調質過程對每道工藝要求均非常嚴苛，加熱和冷卻過程均需嚴格控溫，保證調質質量和調質的均勻性。

在加熱過程中靠里面爐內壁和接近爐口的溫度有差異，會導致加熱不均勻。靠里面的地腳螺栓相變比較徹底，而靠近爐口處相變不充分，從而導致調質質量不均勻性。

冷卻過程中，有時爐口不能保證絕對的致密性，工件與空氣接觸，常常發生氧化、脫碳（即鋼鐵零件表面碳含量降低），這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。

介于上述情況的存在，地腳螺栓的加工質量存在質量波動風險，這也是一些地腳螺栓熱處理廠簽訂訂貨合同的時候只將硬度作為交貨技術要求，而未將抗拉強度作為交貨指標的原因。對于一直對鋼筋混凝土比較熟悉的施工單位而言，其對于鋼材熱處理原理不甚知悉，對熱加工工藝流程也不了解，故在實際使用過程中容易出現高強地腳螺栓的質量問題。施工控制檢測中，高強地腳螺栓沒有具體的規范對其檢測頻率提出明確要求，這加大了質量控制的風險，其抗拉強度只能按照檢測單位推薦的GB/T 3077—2015《合金結構鋼》進行控制，要求檢測頻率按金屬原材每批次≤60t[2]。項目按照每批次實際進場量≤5 000根地腳螺栓，實際鋼材用量為22t控制。前期對未安裝使用的地腳螺栓共進行了6次試驗，試驗結果見表2。

表2 高強地腳螺栓強度實測值

從表2可以看出，高強地腳螺栓存在質量波動，按每批次5 000根抽檢雖然滿足規范要求，但由試驗數據可知，該抽檢頻率不能保證有效控制螺栓質量。經過對廠家實際生產情況深入調查發現，該調質廠每爐調質數量大約為1 000根，由于爐口溫度不均和氧化現象的發生，每爐抗拉強度合格率＜90%，無法滿足過程合格率100%要求。由此可見，為保證高強地腳螺栓的質量，需特別重視高強地腳螺栓的試驗檢測工作，尤其應加大拉伸強度試驗檢測頻率，根據廠家每爐批次實際加工數量進行檢測，安裝使用過程中也需隨機取樣。若按照5 000根抽檢2根試樣每組樣品代表性不足，無法客觀反映進貨產品質量。

3 高強地腳螺栓原材

高強地腳螺栓原材是影響其質量的關鍵因素，翔安機場快速路所使用高強螺栓調質原材有2種，牌號分別是40Cr和35CrMo熱軋圓鋼，其性能特性比較見表3。

表3 40Cr和35CrMo鋼材性能對比表

由表3可知，鋼材材質不同所具有的熱加工特性不同，牌號為35CrMo熱軋圓鋼比40Cr圓鋼整體性能更好，強度更有保證，韌性更好，更適合10.9級高強螺栓的調質。故項目后期均使用35CrMo熱軋圓鋼加工高強地腳螺栓。

4 結語

結合高強地腳螺栓原材和調質實際情況，10.9級高強螺栓容易出現質量問題，其中，原材和熱加工是出現質量問題的主要環節，需對其質量控制高度重視，加大抽檢頻率，加強調質廠質量約束。同時注意合同質量約束條款需要有針對性，迫使加工廠改進調質工藝和設備，提供真正滿足項目質量要求的高強地腳螺栓。隨著當下工程項目類型的多元化，質量要求不斷提高，要求施工人員需掌握的專業知識也不斷擴充，對于專業分包不能以包代管，不能完全相信所謂的專業人員。在質量抽檢中要延伸試驗檢測的深度，對用于結構物的材料，質量控制不能流于形式，不能僅僅滿足規范對檢測頻率的要求，更要查閱各種相關規范，了解與該產品相關的信息、質量控制點以及如何控制好這些控制點。要擴展試驗檢測的廣度，對于產品的加工工藝、廠家規模和廠家資質必須進行綜合了解，以便有的放矢地進行質量控制。