某电厂钢结构高强螺栓表面疑似缺陷原因分析

刘天佐

摘 要：本文针对某电厂二期工程2×1000MW机组钢结构所用高强螺栓表面发现疑似缺陷问题，进行了一系列理化试验，包括化学成分、金相、硬度及楔负载试验等，最终确定高强螺栓表面缺陷不是淬火裂纹，高强螺栓的化成成分、表面硬度、楔负荷性能、表面质量符合标准要求。

关键词：高强螺栓；表面疑似缺陷；非淬火裂纹

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）19-0144-01

1 概述

某电厂二期工程2×1000MW机组钢结构所用高强螺栓表面发现疑似缺陷，为查明螺栓表面状况及质量，对高强螺栓进行试验分析。

取三个位置的高强螺栓：（1）3号炉一层、二层钢架安装螺栓4根；（2）3号炉三层钢架更换后新到货的高强螺栓3根；（3）4号炉一层钢架更换后新到货的高强螺栓3根。试验螺栓规格均为M22，材质为ML20MnTiB，性能等级为10.9级。对试验螺栓的依次编号为1～10号。

2 试验内容

2.1 宏观检查

对高强螺栓进行观察，发现螺栓大都存在表面疑似缺陷。存在的表面疑似缺陷可以分为三类，包括：头部、杆部及螺牙上的直道形疑似缺陷、头部环形疑似缺陷、螺牙表面细小疑似缺陷。相较而言，更换后螺栓的疑似缺陷形貌较浅，程度较轻。螺栓宏观形貌如图1所示。

2.2 化学成分分析

选取3号炉、4号炉新到货的螺栓各1根进行化学成分分析，2根螺栓的化学成分均满足GB/T 6478标准《冷墩和冷挤压用钢》对ML20MnTiB钢的化学成分的技术要求。

选取3号炉、4号炉新到货6、9号螺栓取样进行氢含量分析，两螺栓的氢含量均为0.9ppm，氢含量正常。

2.3 金相分析

除去进行楔负载试验的两根螺栓，其余螺栓均取样进行金相分析。存在疑似缺陷的位置取垂直于疑似缺陷的试样，螺栓螺纹取纵向试样，金相试样经砂纸粗磨、细磨和抛光后，用4%硝酸酒精溶液进行浸蚀，浸蚀后在OLYMPUS GX71型光学显微镜下进行金相观察分析，结果表明：螺栓基体组织为回火索氏体，组织正常。

螺栓宏观疑似缺陷的金相分析结果可知：螺栓杆部、头部、螺牙的直道形缺陷呈凹槽状，最大宽度0.34mm，最大深度0.18mm；螺栓头部环形缺陷截面呈凹槽状，宽0.16mm，深0.06mm，底部圆钝；螺牙上细小缺陷为金属折叠，深度最大0.43mm。

2、4、5号螺栓上直道形缺陷周圍的组织与螺栓表面组织一样有轻微脱碳，这说明缺陷的形成应在淬火之前，不是淬火裂纹。

2.4 硬度试验

对螺纹纵向金相样、螺杆金相样在Q30M试验机上进行维氏硬度试验，试验载荷0.3kg，保荷时间12S，由试验结果可知：螺纹部位芯部与螺纹底部、螺牙顶部位置硬度没有明显差别，螺杆芯部与表面硬度没有明显差别，即螺栓表面硬度满足GB/T3098.1标准要求。

GB/T3098.1《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定：10.9级螺栓表面硬度不应比芯部硬度高出30个维氏硬度值，表面硬度不应大于390HV0.3。

2.5 楔负载试验

对7、10号螺栓按照为GB/T3632《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》进行-10°的楔负载试验，标准规定：10.9级的M22的螺栓拉力载荷范围为315～376KN时，断裂应发生在螺纹部分或螺纹与螺杆交接处。在7号螺栓加载370.50KN、10号螺栓加载375.90KN力时螺栓分别断裂，断裂位置在螺纹处，符合标准要求。

3 原因分析

高强螺栓的制造厂家技术标准为GB/T3632《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》。GB/T3632标准5.5条要求“螺栓的表面缺陷要求符合GB/T5779.1标准的规定”。

根据GB/T5779.1《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 一般要求》标准，螺栓头部、杆部表面直道形缺陷应为 “原材料的裂纹和条痕”GB/T5779.1第3.2条）。标准要求：1）螺杆上裂纹或条痕的深度应≤0.03d；2）如果裂纹或条痕延伸到头部，则不应超过对锻造爆裂规定的宽度和深度的允许上限，锻造爆裂的宽度≤0.08d。即对于送检的M22螺栓，螺杆条痕深度应≤0.66mm，头部条痕深度≤1.23mm（头部直径41mm）；头部条痕宽度应≤3.28mm。高强螺栓上表面直道形缺陷的形状及尺寸符合GB/T5779.1标准的要求。

2号螺栓存在头部环形缺陷（宏观如图1），深度0.06mm，较为圆钝。环形缺陷直径约为22mm，与螺杆位于同一尺寸的轴向截面，应在头部镦锻加工过程中产生。根据GB/T5779.1标准可归属于“凹痕”（GB/T5779.1第3.2条）。标准要求：凹痕深度≤0.02d（最大0.25mm））。对M22螺栓，凹痕深度≤0.25mm即为合格。送检螺栓上的头部环形缺的形状及尺寸符合GB/T5779.1标准的要求。

螺栓的淬火裂纹发生在热处理过程中，由于过高的热应力和应变产生的，通常是不规则相交、无规律方向地出现在螺栓表面，一般容易在尖角、截面突变处形成。与送检螺栓表面缺陷的形貌、位置有明显不同。螺栓表面缺陷周围组织有脱碳现象，这说明缺陷在高温淬火前就已经存在。故从缺陷形貌、位置及产生的时间上可以判断螺栓表面缺陷不是淬火裂纹。螺栓头部、杆部的直线形缺陷为“原材料的裂纹和条痕”，头部的环线形缺陷为“凹痕”，螺牙上的细小缺陷为“螺纹上的折叠”。

4 结语

高强螺栓头部、杆部的直线形缺陷为“原材料的裂纹和条痕”，头部的环线形缺陷为“凹痕”，螺牙上的细小缺陷为“螺纹上的折叠”，这些缺陷非淬火裂纹。高强螺栓的化成成分、表面硬度、楔负荷性能、表面质量符合标准要求。

参考文献

[1]王亚兵.在役螺栓球网架结构M22高强螺栓的疲劳分析与试验研究[D].太原理工大学，2015.

[2]刘丽君.螺栓球节点网架用高强螺栓的疲劳影响因素及缺口效应分析[D].太原理工大学，2003.endprint