摘要：高强度螺栓是锅炉钢结构的重要连接部件。本文详细阐述了锅炉钢架连接高强度螺栓的断裂原因。
关键词：锅炉；钢架；螺栓；断裂原因
目前，锅炉钢结构高强螺栓的应用十分广泛，几乎在锅炉结构中都会应用，因此，为了提高锅炉应用的效果，就要确保锅炉钢结构高强螺栓的使用问题和重视其连接质量，从而采取措施来避免问题的出现。
一、高强度螺栓特点
用高强度钢制造的，或需要施以较大预紧力的螺栓，皆可称为高强度螺栓。高强度螺栓多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接。这种螺栓的断裂多为脆性断裂。应用于超高压设备上的高强度螺栓，为了保证容器的密封，需要施以较大的预应力。
1、改进结构受力情况。采用摩擦型高强度螺栓连接所受的力靠钢板表面的磨擦力传递，传递力的面积大、应力集中现象得到改善，提高了构件的疲劳强度。另外，在受力相同的情况下，高强度螺栓的数量相对比铆钉数量少。因此，节点拼接板的几何尺寸就小，可节省钢材。
2、加快施工进度。高强度螺栓施工简便，对一个不熟悉高强度螺栓施工的工人，只要经过简单的培训，就能上岗操作。
3、在钢结构运输过程中不易松动，且在使用中减少维护工作量。若发生松动即可个别更换，不对其周围螺栓的连接造成干扰。
4、施工劳动条件好，而且栓孔可在工厂一次成型，省去二次扩孔的工序。
二、材质分析
为了查明螺栓断裂的原因，对规格为d22mm×90mm未安装的新螺栓6根、拆下已安装螺栓5根、断裂螺栓1根进行材质分析。螺栓的化学成分分析结果为：未安装螺栓C为0.20Wt％、Si为0.18Wt％、Mn为1.39Wt％、S为0.0007Wt％、P为0.017Wt％、Ti为0.08Wt％、B为0.0034Wt％；已安装螺栓C为0.21Wt％、Si为0.25Wt％、Mn为1.40Wt％、S为0.0004Wt％、P为0.014Wt％、Ti为0.04Wt％、B为0.0033Wt％；断裂螺栓C为0.25Wt％、Si为0.25Wt％、Mn为1.41Wt％、S为0.001Wt％、P为0.017Wt％、Ti为0.04Wt％、B为0.0035Wt％；GB/T3077 C为0.17～0.24Wt％、Si为0.17～0.37Wt％、Mn为1.30～1.60Wt％、S≤0.035Wt％、P≤0.035Wt％、Ti为0.94～0.10Wt％、B为0.0005～0.0035Wt％
由其结果可知，断裂螺栓碳元素含量超出GB/T3077合金结构钢要求范围上限，但在GB222技术条件规定的化学成分允许偏差内，其余所检螺栓元素符合要求；所检4根螺栓拉伸性能均在GB/T 3632技术条件要求的合格范围内；在-20℃条件下，所检4根螺栓硬度均在GB/T 3632要求范围内，裂螺栓的硬度值最低，维氏硬度为321HV30。
对2根未安装螺栓、1根已安装螺栓和断裂螺栓进行金相检验，未发现宏观缺陷。螺栓组织为回火马氏体，螺纹外表层有一细晶带，外表面均没有脱碳现象。以上检验结果表明，螺栓个体之间材料性能存在较大差异。
三、断口分析
1、主断口宏观分析。螺栓断裂位置位于螺栓头部螺纹的第1、2齿之间，在一侧起裂，向另一侧扩展；断口垂直于螺栓轴向，其断裂为正断；断口周围无宏观塑性变形，为脆性断裂。断口分为3个区域：断裂源、裂纹扩展区和最终断裂区。裂纹扩展前区断面呈颗粒状，裂纹扩展后区具有放射纹，表明后区裂纹扩展速度较快。最终断裂区位于源区的另一侧，但偏离180°位置。根据螺栓断裂宏观特征判断，造成螺栓断裂的应力为轴向力+弯曲力，不是纯轴向力，有附加弯曲应力。
2、梅花头安装断口。梅花头侧螺栓安装断口的形貌见图1。梅花头侧断口为漩涡花样，且偏心明显，这表明预紧力为轴向力+弯曲力，即紧固后的螺栓存在附加弯曲应力。
3、主断口微观分析。对螺栓断口进行电子扫描显微镜观察，可见起裂区位于螺纹底部，微观形貌为韧窝，这说明此螺栓预紧后，存在较大弯曲应力；在最大拉应力侧的螺纹底部应力集中处，因局部应力超过材料强度而诱发塑性开裂。裂纹扩展前区以沿晶断裂为主，有2次裂纹，裂纹性质为沿晶断裂，随着裂纹的逐渐扩展，韧窝和解理逐渐增多，这说明裂纹稳态扩展；扩展后区以解理为主，韧窝逐渐增多，这说明裂纹失稳扩展，裂纹扩展速度较快。最终断裂区微观形貌是韧窝显示瞬时断裂特征。
图1 螺栓梅花头侧安装断口形貌
四、高强螺栓断裂原因分析
1、螺栓表面氢含量较高。螺栓表面氢含量较高，可能来自螺栓加工的磷化处理过程中。工件磷化时在阳极区铁开始溶解为Fe2+，同时放出电子。阴极区放出大容量氢。阴极过程形成氢，部分原子态氢被基体吸收，而一般磷化处理后不会进行去氢处理，那么渗入的氢将无法去除。高强螺栓交付工地后，若露天放置时间过长，易造成螺栓表面和包装箱严重受潮，螺栓表面出现水珠和水汽，致使一些螺栓生锈。因此，长时间露天存放是高强螺栓表面氢含量超标的一个原因。
2、紧固轴力的影响。螺栓在工厂制造或现场储存时保管不善导致紧固轴力增大。在实际安装中，扳手的扭矩加大是螺栓断裂的另一个原因。
3、应力大小。类似于疲劳断裂或应力腐蚀，对延迟断裂存在一个临界应力，低于该应力时，在规定的时间内不发生延迟断裂。因此，改善服役时的受力状况及减小应力集中对提高延迟断裂抗力较为有利。同时，临界应力随扩散氢含量的增加而降低。
4、材料因素。从试验分析结果可知：断裂螺栓材料基本符合标准要求，但其材料的化学成分中碳元素含量超出GB/T 3077合金结构钢要求范围上限。硬度值在标准要求范围内，但和其它同时检验的螺栓比较，断裂螺栓的硬度值最低。另外，在-20℃条件下，所检的4根螺栓中编号为1的未安装螺栓冲击值不符合GB/T 3632标准要求。由此可见，螺栓个体之间材料性能存在较大差异。
5、结构和安装因素。每一个连接副包括螺栓、螺母、垫圈，均应是同一批生产，同一热处理过程，并且螺栓连接摩擦面应进行抗滑移系数检验。螺栓的安装应严格按照施工工艺执行，安装时螺栓应自由穿入孔内，不得强行敲打；连接处的钢板或型钢应平整，板边、孔边无毛刺；接头处有翘曲、变形必须进行校正。从断裂螺栓断口特征和梅花头扭断口的偏心漩涡花样判断，紧固后的螺栓存在附加弯曲应力，且个别螺栓附加弯曲应力较大。
五、结语
锅炉钢架高强螺栓的断裂，对设备安装和今后的安全运行将构成严重威胁。另外，锅炉钢架高强螺栓，虽然是处于非高温高压介质环境中，仍要纳入金属技术监督和锅炉检验的正常管理范围，对锅炉钢架高强螺栓，在设备监造、安装前就要积极的介入，严格执行质量验收规范，定期监督、检验，进行全过程的质量管理，从而保证发电机组的安全运行。
参考文献：
[1]岳增武.锅炉钢架用高强度螺栓的延迟断裂[J].热力发电，2014（09）.
[2]惠卫军.高强度螺栓断裂原因分析[J].热加工工艺，2014（06）.
[3]陈吉刚.锅炉钢架连接高强度螺栓的断裂原因分析[J].热力发电，2015（12）.
论文作者:许舒亚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/27
标签：螺栓论文; 应力论文; 断口论文; 裂纹论文; 锅炉论文; 钢架论文; 高强度螺栓论文; 《电力设备》2018年第35期论文;