某电视塔钢桅杆高强度螺栓断裂失效分析

曹桓铭, 唐清山, 周友龙(.四川省建筑科学研究院，四川成都 6008； .西南交通大学材料学院，四川成都 6003)

某电视塔钢桅杆高强度螺栓断裂失效分析

曹桓铭1, 唐清山1, 周友龙2
(1.四川省建筑科学研究院，四川成都 610081； 2.西南交通大学材料学院，四川成都 610031)

高耸钢结构构件节点连接多采用高强螺栓连接，而螺栓的断裂失效会直接影响到结构的安全性。文章对某电视塔钢桅杆断裂高强螺栓进行了失效分析，明确螺栓断裂的原因，并提出了防止螺栓断裂的方法，可供同类工程参考。

高强螺栓；断裂失效；试验分析

某广播电视塔顶端为钢结构桅杆，钢桅杆节段连接采用节点板高强度螺栓连接，螺栓级别为10.9级，材质为20 MnTiB，规格为M24。在对该钢桅杆进行例行检查的过程中，发现有4颗高强螺栓断裂掉在井道中，为确保钢桅杆的安全可靠性，找出螺栓断裂的原因，本文对断裂的高强度螺栓进行了失效分析。

1 失效分析方法的确定

通过对现场情况的充分了解，并对使用的高强度螺栓进行状态分析，拟采用以下试验方法进行失效分析：

(1)断裂的螺栓腐蚀状况分析。

(2)采用体视显微镜观察螺栓断裂面氧化膜清理前后的表面状况。

(3)采用扫描电镜(SEM)观察螺栓裂纹面氧化膜清理后的断裂面表面。

(4)采用光谱法对螺栓进行化学成分分析。

(5)分析螺栓断裂的性质种类与产生的原因。

(6)针对高强度螺栓后期使用中断裂的防止方法进行分析。

2 断裂螺栓腐蚀及清理状况分析

对3套断裂螺栓进行观察，具体情况如图1～图3所示。

图1 1#试件(锈蚀严重的高强度螺栓)

图2 2#试件(锈蚀较重的高强度螺栓)

图3 3#试件(锈蚀较轻的高强度螺栓)

可以看出，虽然断裂的螺栓(母)掉在钢桅杆内部，但是锈蚀的程度完全不同，因此，这几颗螺栓不是同时断裂的，基本上是分为几年断裂的，因为不同的钢桅杆节段内部的环境状况基本一致。

采用腐蚀剂对锈蚀的3颗螺栓断裂面进行细致的清洗，清洗后的状况如图4～图7所示。

图4 1#试件多次长时间的清洗后的状况

图5 经过第一次清洗的2#试件清洗后的状况

图6 经过第二次清洗的2#试件清洗后的状况

图7 3#试件清洗后的状况

可以看出，3件螺栓断裂面上都存在起裂源、裂纹扩散区和瞬断区，扩展区存在较为明显的放射线形态。瞬断区基本上与螺栓横截面呈45°夹角，裂纹扩展区较平整。

3 螺栓断口SEM观察

对清洗较为良好的2#和3#螺栓进行SEM微观观察，结果见图8和图9。

由图8可以看出，2#试件裂纹扩展区经过两次常时间的腐蚀依然被氧化膜覆盖，基本上得不出裂纹断口的微观信息，而裂纹起裂源区可以清楚的看到断口的微观形貌。起裂源区存在较为清晰的放射性条纹，放大1 000倍的微观组织晶粒大小不均匀，存在较宽的开口二次裂纹，个别区域存在微孔，晶粒呈现出显著的脆性断裂形态，即冰糖葫芦状。通过认真和细致的观察，由于晶粒表面存在较典型的发纹和鸡爪纹(或称乌鸦足)，可以判定2#高强度螺栓的断裂机理为氢脆，从广义上讲，氢脆也是一种应力腐蚀现象。

a.有氧化膜覆盖的裂纹扩展区

b.裂纹起裂源区图8 2#试件断口SEM观察

由图9可以看出，3#试件的裂纹起裂源区可以清楚的看到断口的微观形貌。起裂源区存在较为清晰的放射性条纹，放大1 000倍的微观组织晶粒大小不均匀，存在较宽的开口二次裂纹，晶粒呈现出显著的脆性断裂形态，即冰糖葫芦状。由于晶粒表面存在较典型的发纹和鸡爪纹(或称乌鸦足)，可以判定，3#高强度螺栓的断裂机理为氢脆。而裂纹扩展区是典型的脆性断裂形貌(冰糖葫芦状)。裂纹瞬断区存在韧窝，第二相因为腐蚀清理被清理掉，看不见，但是可以判断瞬断区为塑性断裂性质。

3个断裂的高强度螺栓的断裂时间虽然不同，但是断裂的性质是一样的，均为氢脆导致螺栓的断裂。

4 螺栓化学成分分析和微观组织观察

采用直读式光谱仪(FOUNDRY-MASTER Xpert)对高强度螺栓进行化学成分分析，结果如表1所示。

a.裂纹起裂源区

b.裂纹扩展区

c.裂纹瞬断区图9 3#试件断口SEM观察

表1 高强度螺栓化学成分

注：表中合金含量均省去%符号, 该螺栓化学成分检测判定标准为GB/T 3077-2012。

从表1可以看出，断裂的高强度螺栓的化学成分中所有元素均符合国家相关标准要求。

采用蔡司显微镜对螺栓材料进行微观组织观察，螺栓近表面的微观组织如图10所示。

图10 高强度螺栓截面近表面微观组织

从图10可以看出，断裂的高强度螺栓截面表面存在较薄的脱碳层，以铁素体组织为主，而内部组织为贝氏体组织和少量针状铁素体组织。

高强度螺栓直径1/4区域的微观组织如图11所示。

从图11可以看出，断裂的高强度螺栓截面1/4处区域的组织以贝氏体组织为主，并有少量回火索氏体组织。

高强度螺栓中心区域的微观组织如图12所示。

图11 高强度螺栓四分之一处微观组织

图12 高强度螺栓截面中心部位的微观组织

从图12可以看出，断裂的高强度螺栓截面中心区域的组织以贝氏体组织为主，但是由于螺栓在热处理过程中其中心部位冷却速度低于表面，组织中针状铁素体组织含量增加。

5 螺栓断裂原因具体的分析

通过对高强度螺栓断口的分析，其断裂型式基本上都是氢脆，因此，本文对螺栓发生氢脆导致断裂的具体原因进行一下的分析。

金属材料的氢脆是指氢从材料表面沿晶界进入金属内部后, 局部氢浓度达到饱和时, 引起金属塑性下降、诱发裂纹或产生滞后断裂的现象。根据氢的来源, 氢脆可分为内部氢脆和环境氢脆, 前者是指金属材料在冶炼和加工过程 ( 如酸洗、电镀等)中吸收了过量氢而造成，后者是指金属在硫化氢、氢气、水汽等环境中氢进入金属造成性能损失。

M24的20MNTiB抗扭性高强度螺栓的主要生产工艺是机械(车削)或压力(滚丝)加工后采用调质和发蓝工艺进行生产，发蓝的温度条件虽然不高，但是材料表面吸氢还是有一定的几率；在螺栓工作的十余年里，虽然钢结构外部和内部进行了喷锌的长效防腐处理工艺，而且从钢塔桅外部看基本上看不见螺栓头腐蚀的现象，但是大部分螺栓的杆部基本上产生了锈蚀，锈蚀的现象从螺栓螺纹段端部的锈迹皆可以明显看出(图1)。因此可以得出：由于钢桅杆的密封效果不好，常年潮湿环境在冬季容易造成金属表面结露，而夏天更是存在高温潮湿天气，水汽在螺栓表面进行长时间的聚集，氢元素自然可以从螺栓表面进入材料的内部，由于螺栓的微观组织不太均匀，氢原子在局部较高能量场(例如空位、晶界、第二相界面、位错或孔洞等位置)进行聚集，并成分氢气分子，造成该处产生巨大的内压力，当氢压达到材料的屈服强度时，材料产生局部的塑性变形，进而当氢压达到原子结合力时将诱发微裂纹引起晶界起裂，并快速扩展，从而造成螺栓断裂。

6 防止螺栓使用过程中断裂的常规措施

(1)由于高强度螺栓氢脆与其化学成分、微观组织、热处理工艺和表面处理工艺密切相关，为此，在其使用过程中，建议采取相应措施避免氢脆的产生。

(2)螺栓安装过程中，可以采用多种施工技术增加结构的密封性，从根源上避免水汽与螺栓系接触，特别是在成都高热潮湿的环境下。

(3)增加螺栓系统的安全检查，发现螺栓存在锈蚀现象时建议及时更换。

(4)螺栓安装之前可以采用喷锌等长效防腐技术延长螺栓寿命，并隔绝空气与螺栓表面。

[1] 张建.高强度钢氢脆机理研究进展[J].莱钢科技，2009,6(3):3-7.

[2] 韩顺昌.金属腐蚀金相图谱[M].北京：国防工业出版社，2006.

曹桓铭(1983～)，男，硕士研究生，工程师，从事结构检测鉴定及设计工作。

TU391

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[定稿日期]2016-08-03