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武炼巅峰 质量(liang)分析

风机塔筒高强度螺栓失效分析

1. 概述

委托(tuo)方提供断裂(lie)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)2件(jian),完好螺(luo)纹连(lian)接副4组,螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)规格(ge)为(wei)(wei)M36×175,性能等级为(wei)(wei)10.9级,材(cai)质为(wei)(wei)B7,表面达克罗处理(li)。失效螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)用于(yu)固(gu)定(ding)上下两(liang)个塔(ta)筒,服役(yi)2年(nian)后发(fa)生断裂(lie),委托(tuo)方要求分(fen)析断裂(lie)原因。图(tu)1所(suo)示(shi)(shi)为(wei)(wei)送(song)(song)检样品宏观(guan)形(xing)貌(mao),可见两(liang)枚断裂(lie)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)的断裂(lie)位置(zhi)均位于(yu)头(tou)杆连(lian)接处,如图(tu)中(zhong)箭头(tou)所(suo)示(shi)(shi)。图(tu)2所(suo)示(shi)(shi)为(wei)(wei)其中(zhong)送(song)(song)检螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)的侧面宏观(guan)形(xing)貌(mao),可见螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)光杆处均存在局(ju)部磨损、腐蚀的现象,如图(tu)中(zhong)箭头(tou)所(suo)示(shi)(shi)。

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(ce)面(mian)宏观形貌

2. 断口分析

图(tu)3所(suo)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(tu)中箭头(tou)所(suo)示。

图3 失效螺栓断口宏观形貌

图3 失效螺栓断口宏观(guan)形貌

图(tu)(tu)4所示(shi)为(wei)所选断裂件(jian)的断口(kou)宏观形貌,断口(kou)未见(jian)(jian)明显塑性(xing)变形,断面(mian)上半(ban)部分腐蚀(shi)严(yan)重(zhong)(图(tu)(tu)中(zhong)A、B区),但仍可见(jian)(jian)隐(yin)约(yue)的海(hai)滩花(hua)样(yang);断面(mian)下半(ban)部分(图(tu)(tu)中(zhong)C区)为(wei)新(xin)鲜(xian)断口(kou),呈金属(shu)本色,新(xin)鲜(xian)断口(kou)面(mian)积约(yue)占整(zheng)个断面(mian)面(mian)积的四分之一(yi)。

图4 断口宏观形貌

图(tu)4 断口(kou)宏观形(xing)貌

图5、图6所示为A区微观形(xing)貌,可(ke)见明显的磨损痕迹。

图5 断(duan)面A区微观(guan)形貌(mao)

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(xian)的疲劳辉纹,为裂纹扩展(zhan)区。

图7 断面B区微观形貌

图7 断面(mian)B区微观形(xing)貌(mao)

图8 断面B区微观形貌

图8 断面(mian)B区微(wei)观形貌(mao)

图9 断面B区微观形貌

图9 断(duan)面B区微观形貌

图10、图11所(suo)示为C区微观形貌,可见(jian)明显的等轴韧窝(wo)和剪切(qie)韧窝(wo),为终断区。

图10 断面C区微观形貌

图(tu)10 断面(mian)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(xing)貌

3. 金相检测

图12所(suo)示为(wei)送(song)检断裂螺栓芯部金相组(zu)(zu)织(zhi),为(wei)均匀的回火索氏体组(zu)(zu)织(zhi)。

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(suo)示(shi)为失效螺栓断口起始源区(qu)(头下圆角处)表(biao)面金(jin)相组织,可见存在深度约22μm的全脱碳(tan)层(ceng)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(tu)13 断(duan)裂螺(luo)栓头下圆角表面金相组织

图14、图15所示为送检完好(hao)螺栓头(tou)下圆(yuan)角处表面组(zu)织,可见存在深度约0.15mm的半脱(tuo)碳层(ceng),未(wei)发现(xian)全脱(tuo)碳及不连续性缺(que)陷。

图14 完好螺栓头下圆角表面组织

图14 完好螺栓(shuan)头(tou)下圆角表面组织

图15 完好螺栓头下圆角表面组织

图(tu)15 完好螺栓头下圆角(jiao)表面组织

图16所(suo)示为(wei)失效螺栓的非金(jin)属夹杂(za)物情况,根(gen)据“GB-T 10561-2005 钢中非金(jin)属夹杂(za)物含量的测定(ding)标准”可评定(ding)为(wei)D类(lei)球状氧化物夹杂(za)(细系(xi))1.5级,A类(lei)硫化物夹杂(za)(细系(xi))1级。

图16 失效螺栓非金属夹杂物

图16 失效(xiao)螺栓(shuan)非(fei)金属(shu)夹杂物

图17、图18所示(shi)分(fen)别为(wei)失效螺(luo)(luo)栓与完好(hao)螺(luo)(luo)栓头(tou)部(bu)低倍(bei)组织,可见头(tou)部(bu)连续流畅且延头(tou)部(bu)外形分(fen)布,未发现明(ming)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(li)学性能(neng)检(jian)测

对(dui)断裂(lie)螺栓进行表、芯硬度试验,结果(guo)如表1所示(shi),结果(guo)满足“GB/T 3098.1-2010”对(dui)于10.9级(ji)螺栓的要(yao)求(qiu)。

表(biao)1 失效螺(luo)栓表(biao)芯硬(ying)度检测

表1-失效螺栓表芯硬度检测

对送检完(wan)好(hao)螺栓(shuan)进(jin)行力学性能(neng)试验,试验结果(guo)如表(biao)2所示,符(fu)合“GB/T 3098.1-2010” 对于10.9级螺栓(shuan)的要求。

表2 完好螺栓(shuan)力(li)学(xue)性能检(jian)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(duan)裂螺栓化学(xue)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(jian)的(de)5根螺(luo)(luo)栓(shuan)的(de)光杆(gan)部(bu)位均存在(zai)局部(bu)磨损、腐蚀现象,判断(duan)(duan)应为螺(luo)(luo)栓(shuan)安装(zhuang)时,因对中(zhong)不良而导致(zhi)螺(luo)(luo)栓(shuan)杆(gan)部(bu)与塔筒(tong)法(fa)兰碰擦所致(zhi)。安装(zhuang)对中(zhong)不良导致(zhi)螺(luo)(luo)栓(shuan)头(tou)杆(gan)连(lian)接(jie)处承受(shou)附(fu)加弯曲应力(li);加上(shang)螺(luo)(luo)栓(shuan)圆(yuan)角(jiao)处存在(zai)全脱碳缺陷(xian),疲劳强度不足,以(yi)上(shang)因素共同影响,导致(zhi)螺(luo)(luo)栓(shuan)在(zai)服役过程中(zhong)的(de)交变载荷作用下,首先在(zai)头(tou)下圆(yuan)角(jiao)处萌(meng)生疲劳裂纹,裂纹在(zai)交变载荷作用下不断(duan)(duan)扩展,直至螺(luo)(luo)栓(shuan)断(duan)(duan)裂。

7. 结论

(1)螺(luo)栓的断裂(lie)性质是(shi)疲劳断裂(lie);

(2)螺栓(shuan)力学性(xing)能(neng)指标(biao)及(ji)化学成分符合标(biao)准要求;

(3)螺栓疲劳断裂的根本原因是头(tou)下圆角(jiao)处存(cun)在全脱碳,以及安(an)装(zhuang)时对中(zhong)不良。

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