脫硫GGH高強(qiáng)螺栓斷裂原因分析

張雪超 王英軍 張濤 程璐 云峰 呂磊

摘要：某脫硫設(shè)備煙氣-煙氣再熱器導(dǎo)向軸與轉(zhuǎn)子連接高強(qiáng)螺栓斷裂失效，通過宏觀形貌觀察、斷口微區(qū)檢測(cè)、化學(xué)成分檢測(cè)、顯微組織檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)等試驗(yàn)方法對(duì)該連接高強(qiáng)螺栓斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：煙氣-煙氣再熱器高強(qiáng)螺栓調(diào)質(zhì)處理工藝不當(dāng)造成組織中存在部分塊狀鐵素體，進(jìn)而降低了材料的強(qiáng)度和韌性，當(dāng)螺栓承受較大的扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷時(shí)沿應(yīng)力集中的螺紋根部開裂，直至發(fā)生斷裂。

Abstract： Fracture of the high-strength bolts for the connection between guide shaft and rotor happened in the Gas Gas Heater for desulfurization. The reasons of the failure were analyzed by appearance analysis， microstructure detection， impact test， chemical composition test， scanning electron microscope SEM etc test method. The results showed： quenching-and-tempering heat treatment process for the high-strength bolts in Gas-Gas Heater was inappropriate so that there was quite a little granular ferrite in the structure， and then the strength and toughness of the materials reduced; when the bolts beard larger load of torsion and bending， the crack happened at the root of screw thread with the stress concentration， and then lead to fracture.

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)螺栓;調(diào)質(zhì)處理;塊狀鐵素體;斷裂

Key words： high-strength bolts;quenching-and-tempering heat treatment;granular ferrite;fracture

0? 引言

螺栓是電力設(shè)備中重要的連接部件，在設(shè)備運(yùn)行的過程中，由于振動(dòng)、應(yīng)力等原因造成斷裂[1]。35CrMo是一種低合金結(jié)構(gòu)鋼，具有高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性和優(yōu)越的高溫性能，長期工作溫度可達(dá)500℃[2]。35CrMo高強(qiáng)螺栓是現(xiàn)代工業(yè)重要的緊固件，常用于高溫、高壓場(chǎng)合。

某電站鍋爐8號(hào)機(jī)組在運(yùn)行過程中發(fā)生脫硫設(shè)備煙氣-煙氣再熱器（GGH）導(dǎo)向軸與轉(zhuǎn)子連接高強(qiáng)螺栓斷裂失效。該機(jī)組脫硫GGH導(dǎo)向軸與轉(zhuǎn)子連接高強(qiáng)螺栓原設(shè)計(jì)強(qiáng)度為12.9級(jí)、規(guī)格為M30×110的沉頭螺栓，由于該螺栓經(jīng)常發(fā)生斷裂經(jīng)與廠家咨詢更換為規(guī)格為M36×110的沉頭螺栓，但更換后1個(gè)月即發(fā)生斷裂。進(jìn)行檢驗(yàn)分析的2條螺栓規(guī)格為M36×110mm、材質(zhì)為35CrMo，強(qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí)。

1? 檢驗(yàn)方法與結(jié)果分析

1.1 宏觀形貌分析

對(duì)斷裂的GGH高強(qiáng)螺栓進(jìn)行宏觀形貌檢察發(fā)現(xiàn)，兩條螺栓的斷口均起始于應(yīng)力集中的螺紋處，斷口無明顯的宏觀塑性變形，螺栓無明顯徑縮，見圖1。

1.2 斷口微區(qū)分析

由于2條螺栓斷裂后其斷后氧化嚴(yán)重?zé)o法觀察，對(duì)其沖擊斷口進(jìn)行了SEM斷口微區(qū)分析，如圖2所示。從圖中可以看出2條螺栓的斷口均呈河流狀脆性解理斷裂特征，并伴有二次裂紋的生成。說明材料的強(qiáng)韌性較差，而這主要是由于一些塊狀和沿晶分布的鐵素體的存在割裂了正常組織之間的聯(lián)系降低了材料的晶間結(jié)合力[3]，導(dǎo)致材料韌性降低，增大了材料的脆性而造成的。

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂的GGH高強(qiáng)螺栓取樣使用SPECZROMAXx型臺(tái)式直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表1。

可以看出，2條螺栓的化學(xué)成分中各元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 顯微組織分析

利用Axio Observer.A1m型金相顯微鏡對(duì)斷裂的GGH高強(qiáng)螺栓沿縱向剖面取樣進(jìn)行顯微組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，2條螺栓螺紋處均未見明顯脫碳層，如圖3所示。

2條螺栓的整體金相組織基本一致，均為回火索氏體+塊狀鐵素體，如圖4所示。35CrMo鋼作為常用的低合金鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、較好的淬透性和冷變形能力等特點(diǎn)，主要用于制造承受沖擊、震動(dòng)、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的零件，其經(jīng)鍛造、退火、正火及調(diào)質(zhì)處理后組織應(yīng)為均勻的回火索氏體[4-6]。而斷裂的2條螺栓中存在數(shù)量不少的塊狀鐵素體會(huì)在一定程度上降低材料的強(qiáng)度和硬度，而塊狀鐵素體的生成主要是由于淬火時(shí)加熱溫度較低或加熱時(shí)間太短導(dǎo)致鐵素體未充分奧氏體化即進(jìn)行淬火而形成的未熔鐵素體組織。

1.5 力學(xué)性能分析

對(duì)斷裂的GGH高強(qiáng)螺栓取樣進(jìn)行常溫沖擊性能檢測(cè)及布氏硬度測(cè)試，結(jié)果見表2。可以看出，螺栓的硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，盡管標(biāo)準(zhǔn)中目前還未對(duì)該等級(jí)螺栓的沖擊韌性做出強(qiáng)制要求，但從檢測(cè)結(jié)果來看，這2條螺栓的沖擊韌性很差。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)布氏硬度值為350HB時(shí)，鉻鉬鋼的抗拉強(qiáng)度Rm為1157MPa，而表2中所測(cè)得的布氏硬度均低于350HB，則說明GGH高強(qiáng)螺栓的抗拉強(qiáng)度低于1157MPa，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010要求12.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于1220MPa，說明這兩條斷裂螺栓的抗拉強(qiáng)度不合格。

2? 結(jié)果與討論

首先，從化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果看，斷裂的GGH高強(qiáng)螺栓化學(xué)成分中各元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

其次，從金相檢測(cè)結(jié)果來看，GGH螺栓不存在脫碳層，其金相組織為回火索氏體+塊狀鐵素體，而非單一理想的回火索氏體組織。

再者，通過常溫力學(xué)性能試驗(yàn)可知，螺栓的硬度和強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合以上分析可知，該GGH高強(qiáng)螺栓斷裂的主要原因是由于螺栓調(diào)質(zhì)處理工藝不當(dāng)造成組織中存在數(shù)量不少的塊狀鐵素體進(jìn)而降低了材料的強(qiáng)度和韌性，當(dāng)螺栓承受較大的扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷時(shí)沿應(yīng)力最為集中的螺紋根部開裂發(fā)生的斷裂。

3? 結(jié)論與建議

①該GGH高強(qiáng)螺栓斷裂的主要原因是由于螺栓調(diào)質(zhì)處理工藝不當(dāng)造成組織中存在數(shù)量不少的塊狀鐵素體進(jìn)而降低了材料的強(qiáng)度和韌性，當(dāng)螺栓承受較大的扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷時(shí)沿應(yīng)力最為集中的螺紋根部開裂發(fā)生的斷裂。

②建議對(duì)其他脫硫GGH高強(qiáng)螺栓進(jìn)行全面檢查，確定其組織和力學(xué)性能是否正常，避免類似斷裂事故再次發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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