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风机塔筒高强度螺栓失效分析

1. 概述

委托方提供断裂螺栓2件,完好螺纹连接副4组,螺栓规格为M36×175,性能等级为10.9级,材质为B7,表面达克罗处理。失效螺栓用于固定上下两个塔筒,服役2年后发生断裂,委托方要求分析断裂原因。图1所示为送检样品宏观形貌,可见两枚断裂螺栓的断裂位置均位于头杆连接处,如图中箭头所示。图2所示为其中送检螺栓的侧面宏观形貌,可见螺栓光杆处均存在局部磨损、腐蚀的现象,如图中箭头所示。

图1 送检试样外观

图1 送检试样外观

送检螺栓侧面宏观形貌

图2 送检螺栓侧面宏观形貌

2. 断口分析

图3所示为2件失效螺栓断口宏观形貌,选取其中1件断口进行分析,如图中箭头所示。

图3 失效螺栓断口宏观形貌

图3 失效螺栓断口宏观形貌

图4所示为所选断裂件的断口宏观形貌,断口未见明显塑性变形,断面上半部分腐蚀严重(图中A、B区),但仍可见隐约的海滩花样;断面下半部分(图中C区)为新鲜断口,呈金属本色,新鲜断口面积约占整个断面面积的四分之一。

图4 断口宏观形貌

图4 断口宏观形貌

图5、图6所示为A区微观形貌,可见明显的磨损痕迹。

图5 断面A区微观形貌

图6 断面A区微观形貌

图6 断面A区微观形貌

图7、图8、图9所示为B区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹,为裂纹扩展区。

图7 断面B区微观形貌

图7 断面B区微观形貌

图8 断面B区微观形貌

图8 断面B区微观形貌

图9 断面B区微观形貌

图9 断面B区微观形貌

图10、图11所示为C区微观形貌,可见明显的等轴韧窝和剪切韧窝,为终断区。

图10 断面C区微观形貌

图10 断面C区微观形貌

图11 断面C区微观形貌

图11 断面C区微观形貌

3. 金相检测

图12所示为送检断裂螺栓芯部金相组织,为均匀的回火索氏体组织。

图12 断裂螺栓芯部金相组织

图12 断裂螺栓芯部金相组织

图13所示为失效螺栓断口起始源区(头下圆角处)表面金相组织,可见存在深度约22μm的全脱碳层以及深度约为200μm的裂纹。

图13 断裂螺栓头下圆角表面金相组织

图13 断裂螺栓头下圆角表面金相组织

图14、图15所示为送检完好螺栓头下圆角处表面组织,可见存在深度约0.15mm的半脱碳层,未发现全脱碳及不连续性缺陷。

图14 完好螺栓头下圆角表面组织

图14 完好螺栓头下圆角表面组织

图15 完好螺栓头下圆角表面组织

图15 完好螺栓头下圆角表面组织

图16所示为失效螺栓的非金属夹杂物情况,根据“GB-T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准”可评定为D类球状氧化物夹杂(细系)1.5级,A类硫化物夹杂(细系)1级。

图16 失效螺栓非金属夹杂物

图16 失效螺栓非金属夹杂物

图17、图18所示分别为失效螺栓与完好螺栓头部低倍组织,可见头部连续流畅且延头部外形分布,未发现明显异常。

图17 失效螺栓头部流线

图17 失效螺栓头部流线

4. 力学性能检测

对断裂螺栓进行表、芯硬度试验,结果如表1所示,结果满足“GB/T 3098.1-2010”对于10.9级螺栓的要求。

表1 失效螺栓表芯硬度检测

表1-失效螺栓表芯硬度检测

对送检完好螺栓进行力学性能试验,试验结果如表2所示,符合“GB/T 3098.1-2010” 对于10.9级螺栓的要求。

表2 完好螺栓力学性能检测

表2 完好螺栓力学性能检测

5. 螺栓材质分析 采用直读光谱法对断裂螺栓进行化学成分分析,结果如表3所示,符合“ASTM A193_A193M-2012b”标准中对B7材料的要求,。

表3 断裂螺栓化学成分

表3 断裂螺栓化学成分

6.综合分析
送检断裂螺栓芯部金相组织、非金属夹杂物、头部流线、化学成分、力学性能等均未发现明显异常。断口宏观形貌可见大面积的海滩花样,微观可见大量疲劳辉纹,呈典型疲劳断裂特征。疲劳源区位于头下圆角位置,为应力集中区;金相检验发现断裂螺栓头下圆角处的表面存在全脱碳现象且发现了多条显微裂纹,判定为已萌生但尚未充分扩展的疲劳裂纹。

此外,送检的5根螺栓的光杆部位均存在局部磨损、腐蚀现象,判断应为螺栓安装时,因对中不良而导致螺栓杆部与塔筒法兰碰擦所致。安装对中不良导致螺栓头杆连接处承受附加弯曲应力;加上螺栓圆角处存在全脱碳缺陷,疲劳强度不足,以上因素共同影响,导致螺栓在服役过程中的交变载荷作用下,首先在头下圆角处萌生疲劳裂纹,裂纹在交变载荷作用下不断扩展,直至螺栓断裂。

7. 结论

(1)螺栓的断裂性质是疲劳断裂;

(2)螺栓力学性能指标及化学成分符合标准要求;

(3)螺栓疲劳断裂的根本原因是头下圆角处存在全脱碳,以及安装时对中不良。

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