高压螺栓失效原因检验方案设计

张彬

（莱茵技术（上海）有限公司，上海200072）

项目概况

来样为某基地现场安装过程中使用的螺栓，在安装过程中出现断裂问题。据现场情况介绍，安装力矩为5500NM，在安装数根螺栓后，出现第一根螺栓断裂情况，后续安装过程中出现了螺栓拉长（缩径）的现象。

该螺栓规格为M48×400，材质为42CrMo，螺栓等级为10.9级。主要加工工艺为：原材料→下料→热处理→精加工→滚丝→达克罗。为分析该螺栓的断裂原因和影响因素，笔者通过检验方案设计，对断裂失效的高压螺栓进行了各项检验。

1 高压螺栓理化检验方案设计

1.1 宏观检验

对断裂螺栓进行宏观检验，观察断裂螺栓的宏观形貌，借助肉眼及低倍放大镜对螺栓的宏观缺陷展开分析，由于断口则储存了大量失效特征，通过断口宏观形貌，可初步分析金属材料在热处理、使用过程中的缺陷。

断裂位置位于距杆部5-8 个螺纹处，存在明显的缩径现象，断口附近微小裂纹沿螺纹根部分布。

图1 为螺栓断口宏观形貌，从图中可见，断口呈暗灰色，心部呈条带状撕裂痕迹，并呈螺旋状分布，局部有磨损现象，为典型纤维状断口。

考虑到断口形貌及断裂时工况可知，螺栓在断裂过程中受到了拉伸与扭转双重应力作用。在拉伸应力作用下，切向应力引起大量塑性变形，螺栓起裂于螺纹根部，出现缩颈现象。由螺纹根部向心部螺旋分布形貌说明，断裂时存在较大的扭转应力作用。裂纹源及最后断裂区见图1。

图1 断裂螺栓断口宏观形貌

1.2 化学成分检验

从断裂螺栓上取样进行化学成分分析，检测结果见表1：

表1 化学成分分析结果 （%）

从化学分析结果可见，断裂螺栓的化学成分符合GB/T3077-1999 中42CrMo 的要求。

1.3 力学试验

在断裂螺栓上取拉伸试样、冲击试样进行力学性能试验，结果见表2、表3：

表2 拉伸实验结果

表3 冲击实验结果

从力学性能试验结果可见，断裂螺栓力学性能符合GB/T 3098.1-2010 标准要求。

1.4 金相检验

取断裂螺栓的纵截面试样，按GB/T13298-2015 标准进行制样，随后在光学显微镜下观察，结果如下：

根据GB/T 10561-2005/ISO 4967:1998（E）标准中的实际检验A 法和ISO 评级图进行评定：试样中的非金属夹杂物级别评为A0.5，B0，C1.5，D1.0。螺栓组织为：回火索氏体+少量铁素体，心部存在偏析现象，见图2 所示。

图3- 图6 为断口边缘及心部抛光态和显微组织形貌，从图中可见，断口呈锯齿状分布，螺纹根部滚压痕迹明显，未见脱碳现象；图7、8 为断口下方螺纹根部微裂纹形貌，其裂纹走向类似于断口形状，为大应力作用下形成的微裂纹。

图2 螺栓心部显微组织100×

图3 断口（螺纹根部）抛光态100×

图4 断口（螺纹根部）显微组织100×

图5 断口（心部）抛光态200×

图6 断口（心部）显微组织100×

图7 螺纹根部微裂纹抛光态50×

图8 螺纹根部微裂纹显微组织50×

1.5 低倍检验

在螺栓断口下方截取横向低倍试样，根据标准GB/T226-1991 规定，经磨光后，使用1:1 工业盐酸水溶液进行热酸蚀试验，与GB/T1979-2001 标准中的评级图对比，该断裂螺栓低倍组织缺陷评定级别为中心疏松1.0 级。

1.6 微观断口分析

将失效螺栓样品置于丙酮内进行超声波清洗，断口清洗完毕后，置于扫描电子显微镜下观察，螺栓断口低倍形貌见图9、10，图中给出了裂纹源以及最后断裂区的位置。通过观察断口裂纹源区微观形貌可见，断口形貌以韧窝为主，并有大块撕裂特征。图11-13 为最后断裂区韧窝及准解理特征，从图中可见，最后断裂区形貌主要为韧窝特征，并伴有撕裂岭及简短而不连续的河流花样（表现为准解理特征），这是由于螺栓强度较高，在较大外应力作用下，断裂时速度较快，造成某些部位出现准解理特征。

图9 裂纹源区低倍形貌

图10 最后断裂区低倍形貌

图11 韧窝和准解理特征

图12 韧窝和准解理特征

图13 韧窝和准解理特征

2 螺栓失效原因分析

2.1 检验结果分析

2.1.1 断口宏观检验表明，断口存在明显的缩径现象，附近微小裂纹沿螺纹根部分布，断口呈暗灰色，心部呈条带状撕裂痕迹，并呈螺旋状分布，局部有磨损现象。2.1.2 从化学分析结果可见，断裂螺栓的化学成分符合GB/T3077-2015 中42CrMo 的要求；从力学性能试验结果可见，断裂螺栓力学性能符合GB/T3098.1-2010 标准要求。2.1.3 该断裂螺栓低倍组织缺陷评定级别为中心疏松1.0 级；金相检验结果显示非金属夹杂物级别评为A0.5，B0，C1.5，D1.0；螺栓心部组织为回火索氏体+少量铁素体，心部存在偏析现象；2.1.4 从断口的微观形貌可以看出，裂纹源区表现为韧窝特征，最后断裂区为韧窝及准解理特征。综上所述，上述检验结果表明，该螺栓在安装过程中，受拉伸与扭转双重应力作用，螺栓由表面起裂，并在扭转应力作用下向心部逐步扩展而断裂。断口存在明显缩径现象，表明断裂过程中所受应力超过其屈服强度。通过拉伸实验结果表明，其屈服强度为960MPa，抗拉强度为1070MPa，均符合GB/T3098.1-2010标准要求值。

2.2 使用失效原因

在螺栓安装过程中，造成螺栓断裂的原因主要有：a.材料性能达不到要求；b.安装时施加扭力超过材料强度而过载。通过以上分析，该螺栓材料各检测项均符合GB/T3098.1-2010 标准要求值，故螺栓性能符合要求。而影响安装扭力的因素亦较多，主要有：a.扭力扳手未校准，输入扭矩与显示值不符；b.扭力扳手加力不均匀，冲击施拧。冲击拧紧时扭矩系数值比静力拧紧时的扭矩系数小，因为钢铁的静摩擦系数为0.1～0.12，而动摩擦系数为0.05～0.1。因此冲击施拧时，螺栓受的预紧力要大于理论计算力（M=K·P·d，M- 扭矩，K- 扭矩系数，P- 预紧力，d- 螺纹公称直径）。故该螺栓在安装过程中，可能存在扭力扳手未校准或施工人员冲击施拧的现象。

3 结论

综上所述，本文通过多种分析方法，结合现场情况，对高压螺栓在安装过程中发生断裂的原因展开分析，认为M48×400 螺栓断裂的主要原因在于，安装过程中螺栓在拉伸与扭转双重应力作用下形成的过载断裂。高压螺栓失效原因检验方案设计旨在挖掘出高压螺栓的失效机理，以提升产品质量、推进项目顺利进行、避免生产事故。在项目开展过程中，基于检验结果，通过采用校准扭力扳手、避免施工过程中的冲击施拧等措施，有效避免了高压螺栓断裂现象的发生，使得项目得以顺利进行。