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分享:10.9级高强螺栓头部断裂原因分析

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浏览:- 发布日期:2022-06-10 13:45:08【

黄嘉乐,钱 锟,韩 波

 (上海宝冶工程技术有限公司,上海 200941) 

摘 要:通过宏观检验、化学成分分析、力学性能试验、金相检验及能谱分析等方法对10.9级高 强螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:在螺栓镦头成型工序中,头部R 角部位产生折叠微裂纹, 形成了早期裂纹源;在服役过程中,螺栓长期受交变工作应力作用,使得微裂纹进一步扩展,最终导 致高周疲劳断裂.最后提出了相应的预防措施. 

关键词:10.9级螺栓;高周疲劳;断裂;折叠微裂纹;氧化皮 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001G4012(2019)10G0718G04


螺栓连接是塔筒、齿轮箱、叶片、发电机等众多 风电设备基础构件的一种重要紧固方式,螺栓的安 全性与可靠性影响着整个风力发电机的使用寿命. 风机塔筒是风力发电机的塔杆,主要起支撑作用,同 时可以吸收机组振动,多节塔筒通过高强螺栓连接 紧固后达到预定高度. 

某风场于2013年初使用精度检定合格的定扭 力扳手 安 装 了 风 机 塔 筒 法 兰 螺 栓,安 装 扭 矩 为 5800N??m.2016年5月,塔筒爬梯位置附近的1根 螺 栓 断 裂 于 头 部. 该 螺 栓 规 格 为 M48 mm × 310mm,级 别 为 10.9 级,批 号 为 1204,材 料 为 42CrMoA 钢.螺栓主要生产工艺为:退火→拉拔→ 下料→镦头成型→热处理(调质,具体参数不详)→ 滚丝→达克罗. 

为查明该螺栓的断裂原因,加强对其安全性和 可靠性的控制,消除安全隐患,保证风机正常、平稳 的运行,笔者通过一系列理化检验方法对其断裂原 因进行了分析. 

1 理化检验 

1.1 宏观检验 

断裂螺栓的宏观形貌如图1所示.可见螺栓断 裂于头部R 角部位,螺杆及螺纹部位未见明显的塑 性变形.由图2可见,断口宏观形貌较平整,整体呈 灰色,局部有斑点状锈蚀痕迹;可明显观察到裂纹源 区、裂纹扩展区及瞬断区. 



裂纹起源于头部R 角部位,根据源区特征,将其 分为 A,B两区,见图3a).裂纹源 A区呈黑褐色弧形 特征,长度约为7mm,最深处约为3mm.扩展弧线 较浅,间距小,呈浪花状向螺栓心部扩展.裂纹源 B 区出现台阶,扩展弧线呈放射状向心部扩展,弧线间 距较大.从断口侧面可见,裂纹源区存在损伤痕迹,损伤表面断口较新鲜,判定为断后损伤,见图3b). 裂纹扩展区约占断口面积的90%,贝壳纹清晰可见. 瞬断区约占断口面积的10%,呈剪切特征.

综上所述可以判断,该螺栓的断裂机制为疲劳 断裂.断口裂纹扩展区面积较大,瞬断区面积较小, 说明螺栓在服役条件下名义工作应力较低.从扩展 弧线形状可知,裂纹起源时存在中等应力集中现象.从裂纹源 A,B区的扩展弧线特征及扩展距离可见, 裂纹起源于 A 区并缓慢扩展,在此过程中,B 区裂 纹萌生,两区裂纹汇合后同时向心部扩展[1].

.2 化学成分分析 

从螺栓断口下方30mm 处取样进行化学成分 分析,检测结果见表1.可见该断裂螺栓的化学成 分 符 合 GB/T 3077 - 2015«合 金 结 构 钢 »对 42CrMoA 钢成分的要求. 



1.3 力学性能试验 

在断裂螺 栓 上 截 取 拉 伸 试 样、冲 击 试 样 进 行 力学性能试验.取样位置位于 D/4处(D 为螺栓 直径),试验结果见表2.可见断裂螺栓的力学性 能(屈 服 强 度、抗 拉 强 度、断 面 收 缩 率、断 后 伸 长 率、冲击吸收能量、洛氏硬度)符合 GB/T3098.1- 2010«紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱»的技术 要求.