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风机塔筒高强度螺栓失效分析

1. 概述

委托(tuo)方(fang)提供(gong)断裂(lie)(lie)螺栓2件,完(wan)好螺纹连(lian)接副4组,螺栓规(gui)格为M36×175,性能(neng)等级为10.9级,材(cai)质为B7,表面(mian)达克罗处理。失效(xiao)螺栓用于(yu)固定上下(xia)两(liang)(liang)个塔筒(tong),服(fu)役2年后发生断裂(lie)(lie),委托(tuo)方(fang)要(yao)求分析(xi)断裂(lie)(lie)原(yuan)因。图1所(suo)(suo)示为送(song)检样品宏(hong)观(guan)形貌,可见两(liang)(liang)枚断裂(lie)(lie)螺栓的(de)断裂(lie)(lie)位置(zhi)均(jun)位于(yu)头杆连(lian)接处,如图中(zhong)箭头所(suo)(suo)示。图2所(suo)(suo)示为其中(zhong)送(song)检螺栓的(de)侧面(mian)宏(hong)观(guan)形貌,可见螺栓光杆处均(jun)存在局部(bu)磨损、腐蚀的(de)现(xian)象,如图中(zhong)箭头所(suo)(suo)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(song)检螺(luo)栓侧面宏观形貌

2. 断口分析

图(tu)3所示(shi)为2件(jian)失效螺(luo)栓断(duan)口(kou)宏观形(xing)貌,选取其中1件(jian)断(duan)口(kou)进(jin)行(xing)分析,如图(tu)中箭头所示(shi)。

图3 失效螺栓断口宏观形貌

图3 失效螺栓断口宏观形貌(mao)

图4所示为(wei)所选断(duan)(duan)裂件的(de)断(duan)(duan)口宏观形貌,断(duan)(duan)口未见(jian)明显塑(su)性变形,断(duan)(duan)面上半部分腐蚀(shi)严重(zhong)(图中A、B区(qu)),但仍可见(jian)隐约的(de)海(hai)滩花样;断(duan)(duan)面下半部分(图中C区(qu))为(wei)新(xin)鲜(xian)断(duan)(duan)口,呈金属本色,新(xin)鲜(xian)断(duan)(duan)口面积(ji)约占整个断(duan)(duan)面面积(ji)的(de)四分之一。

图4 断口宏观形貌

图(tu)4 断口宏观形貌

图(tu)(tu)5、图(tu)(tu)6所示为A区(qu)微观形(xing)貌,可见明(ming)显的(de)磨损痕迹(ji)。

图5 断面A区(qu)微(wei)观形貌

图6 断面A区微观形貌

图(tu)6 断面A区微观形貌

图7、图8、图9所示为B区微观形(xing)貌,可见(jian)明(ming)显的疲劳辉纹,为裂(lie)纹扩展区。

图7 断面B区微观形貌

图7 断面B区微观形(xing)貌

图8 断面B区微观形貌

图8 断面B区(qu)微观形貌

图9 断面B区微观形貌

图(tu)9 断(duan)面B区微观(guan)形貌

图(tu)(tu)10、图(tu)(tu)11所(suo)示为C区微观形貌,可见明(ming)显(xian)的(de)等(deng)轴韧(ren)(ren)窝(wo)和剪切韧(ren)(ren)窝(wo),为终断(duan)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(jin)相(xiang)组织,为均(jun)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(shuan)芯部(bu)金相组(zu)织(zhi)

图13所(suo)示为(wei)失效螺(luo)栓(shuan)断口起始(shi)源区(头下圆(yuan)角(jiao)处)表面金相组织,可见存在深(shen)度约(yue)22μm的全脱碳层(ceng)以及深(shen)度约(yue)为(wei)200μm的裂纹。

图13 断裂螺栓头下圆角表面金相组织

图13 断(duan)裂螺栓(shuan)头下(xia)圆角表面金相(xiang)组织

图14、图15所示为送检完(wan)好螺(luo)栓头下圆(yuan)角(jiao)处表面组织,可见存(cun)在深度(du)约0.15mm的半脱(tuo)碳层,未发(fa)现全脱(tuo)碳及不连续性(xing)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(zhi)

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(shi)为失效螺栓(shuan)的非金(jin)属(shu)夹(jia)(jia)杂(za)(za)物(wu)(wu)情况,根据(ju)“GB-T 10561-2005 钢中非金(jin)属(shu)夹(jia)(jia)杂(za)(za)物(wu)(wu)含量的测定标(biao)准”可(ke)评定为D类球状氧(yang)化物(wu)(wu)夹(jia)(jia)杂(za)(za)(细系)1.5级(ji),A类硫化物(wu)(wu)夹(jia)(jia)杂(za)(za)(细系)1级(ji)。

图16 失效螺栓非金属夹杂物

图16 失效螺栓(shuan)非金属(shu)夹(jia)杂物(wu)

图17、图18所示分别为失效(xiao)螺栓与完(wan)好螺栓头(tou)部低(di)倍组织,可见头(tou)部连续流(liu)畅且延(yan)头(tou)部外(wai)形分布,未发现(xian)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. 力学性(xing)能检测

对(dui)断裂螺栓进行表、芯(xin)硬度(du)试验(yan),结果如表1所(suo)示,结果满足“GB/T 3098.1-2010”对(dui)于(yu)10.9级螺栓的要求。

表1 失(shi)效螺栓表芯(xin)硬(ying)度检测

表1-失效螺栓表芯硬度检测

对(dui)送检(jian)完好螺(luo)栓进(jin)行力学性(xing)能(neng)试验,试验结果如表2所示,符合“GB/T 3098.1-2010” 对(dui)于10.9级螺(luo)栓的要求(qiu)。

表2 完好(hao)螺(luo)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(duan)裂螺栓化(hua)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(luo)栓(shuan)的光杆(gan)部位(wei)均存在(zai)局部磨损、腐蚀现象,判断(duan)(duan)(duan)应为螺(luo)栓(shuan)安装(zhuang)时(shi),因(yin)对中(zhong)不(bu)良而导致(zhi)(zhi)螺(luo)栓(shuan)杆(gan)部与塔筒法兰碰擦所致(zhi)(zhi)。安装(zhuang)对中(zhong)不(bu)良导致(zhi)(zhi)螺(luo)栓(shuan)头杆(gan)连接处承受附加(jia)弯(wan)曲(qu)应力;加(jia)上螺(luo)栓(shuan)圆角(jiao)处存在(zai)全脱碳缺陷,疲劳强(qiang)度不(bu)足,以上因(yin)素共同影响,导致(zhi)(zhi)螺(luo)栓(shuan)在(zai)服役过程中(zhong)的交变(bian)载荷(he)作用(yong)下(xia)(xia),首(shou)先在(zai)头下(xia)(xia)圆角(jiao)处萌(meng)生疲劳裂(lie)纹,裂(lie)纹在(zai)交变(bian)载荷(he)作用(yong)下(xia)(xia)不(bu)断(duan)(duan)(duan)扩展,直(zhi)至螺(luo)栓(shuan)断(duan)(duan)(duan)裂(lie)。

7. 结论

(1)螺栓的断裂(lie)性质是(shi)疲劳(lao)断裂(lie);

(2)螺(luo)栓力学性能(neng)指标及(ji)化学成分(fen)符合(he)标准要(yao)求(qiu);

(3)螺(luo)栓(shuan)疲劳(lao)断(duan)裂的根本原(yuan)因是头下圆角(jiao)处(chu)存在全脱碳,以及安装时对中(zhong)不良。

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捷豹
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