脱硫GGH高强螺栓断裂原因分析

张雪超 王英军 张涛 程璐 云峰 吕磊

摘要：某脱硫设备烟气-烟气再热器导向轴与转子连接高强螺栓断裂失效，通过宏观形貌观察、断口微区检测、化学成分检测、显微组织检测、力学性能检测等试验方法对该连接高强螺栓断裂原因进行分析。结果表明：烟气-烟气再热器高强螺栓调质处理工艺不当造成组织中存在部分块状铁素体，进而降低了材料的强度和韧性，当螺栓承受较大的扭转、弯曲等载荷时沿应力集中的螺纹根部开裂，直至发生断裂。

Abstract： Fracture of the high-strength bolts for the connection between guide shaft and rotor happened in the Gas Gas Heater for desulfurization. The reasons of the failure were analyzed by appearance analysis， microstructure detection， impact test， chemical composition test， scanning electron microscope SEM etc test method. The results showed： quenching-and-tempering heat treatment process for the high-strength bolts in Gas-Gas Heater was inappropriate so that there was quite a little granular ferrite in the structure， and then the strength and toughness of the materials reduced; when the bolts beard larger load of torsion and bending， the crack happened at the root of screw thread with the stress concentration， and then lead to fracture.

關键词：高强螺栓;调质处理;块状铁素体;断裂

Key words： high-strength bolts;quenching-and-tempering heat treatment;granular ferrite;fracture

0  引言

螺栓是电力设备中重要的连接部件，在设备运行的过程中，由于振动、应力等原因造成断裂[1]。35CrMo是一种低合金结构钢，具有高的静力强度、冲击韧性和优越的高温性能，长期工作温度可达500℃[2]。35CrMo高强螺栓是现代工业重要的紧固件，常用于高温、高压场合。

某电站锅炉8号机组在运行过程中发生脱硫设备烟气-烟气再热器（GGH）导向轴与转子连接高强螺栓断裂失效。该机组脱硫GGH导向轴与转子连接高强螺栓原设计强度为12.9级、规格为M30×110的沉头螺栓，由于该螺栓经常发生断裂经与厂家咨询更换为规格为M36×110的沉头螺栓，但更换后1个月即发生断裂。进行检验分析的2条螺栓规格为M36×110mm、材质为35CrMo，强度等级为12.9级。

1  检验方法与结果分析

1.1 宏观形貌分析

对断裂的GGH高强螺栓进行宏观形貌检察发现，两条螺栓的断口均起始于应力集中的螺纹处，断口无明显的宏观塑性变形，螺栓无明显径缩，见图1。

1.2 断口微区分析

由于2条螺栓断裂后其断后氧化严重无法观察，对其冲击断口进行了SEM断口微区分析，如图2所示。从图中可以看出2条螺栓的断口均呈河流状脆性解理断裂特征，并伴有二次裂纹的生成。说明材料的强韧性较差，而这主要是由于一些块状和沿晶分布的铁素体的存在割裂了正常组织之间的联系降低了材料的晶间结合力[3]，导致材料韧性降低，增大了材料的脆性而造成的。

1.3 化学成分分析

对断裂的GGH高强螺栓取样使用SPECZROMAXx型台式直读光谱仪进行化学成分检测，结果见表1。

可以看出，2条螺栓的化学成分中各元素含量均符合标准要求。

1.4 显微组织分析

利用Axio Observer.A1m型金相显微镜对断裂的GGH高强螺栓沿纵向剖面取样进行显微组织检测发现，2条螺栓螺纹处均未见明显脱碳层，如图3所示。

2条螺栓的整体金相组织基本一致，均为回火索氏体+块状铁素体，如图4所示。35CrMo钢作为常用的低合金钢具有强度高、韧性好、较好的淬透性和冷变形能力等特点，主要用于制造承受冲击、震动、弯曲和扭转载荷的零件，其经锻造、退火、正火及调质处理后组织应为均匀的回火索氏体[4-6]。而断裂的2条螺栓中存在数量不少的块状铁素体会在一定程度上降低材料的强度和硬度，而块状铁素体的生成主要是由于淬火时加热温度较低或加热时间太短导致铁素体未充分奥氏体化即进行淬火而形成的未熔铁素体组织。

1.5 力学性能分析

对断裂的GGH高强螺栓取样进行常温冲击性能检测及布氏硬度测试，结果见表2。可以看出，螺栓的硬度低于标准要求，尽管标准中目前还未对该等级螺栓的冲击韧性做出强制要求，但从检测结果来看，这2条螺栓的冲击韧性很差。

依据标准GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》中的对应关系，当布氏硬度值为350HB时，铬钼钢的抗拉强度Rm为1157MPa，而表2中所测得的布氏硬度均低于350HB，则说明GGH高强螺栓的抗拉强度低于1157MPa，标准GB/T 3098.1-2010要求12.9级高强螺栓的抗拉强度应大于1220MPa，说明这两条断裂螺栓的抗拉强度不合格。

2  结果与讨论

首先，从化学成分检测结果看，断裂的GGH高强螺栓化学成分中各元素含量均符合标准要求。

其次，从金相检测结果来看，GGH螺栓不存在脱碳层，其金相组织为回火索氏体+块状铁素体，而非单一理想的回火索氏体组织。

再者，通过常温力学性能试验可知，螺栓的硬度和强度均低于标准要求。

综合以上分析可知，该GGH高强螺栓断裂的主要原因是由于螺栓调质处理工艺不当造成组织中存在数量不少的块状铁素体进而降低了材料的强度和韧性，当螺栓承受较大的扭转、弯曲等载荷时沿应力最为集中的螺纹根部开裂发生的断裂。

3  结论与建议

①该GGH高强螺栓断裂的主要原因是由于螺栓调质处理工艺不当造成组织中存在数量不少的块状铁素体进而降低了材料的强度和韧性，当螺栓承受较大的扭转、弯曲等载荷时沿应力最为集中的螺紋根部开裂发生的断裂。

②建议对其他脱硫GGH高强螺栓进行全面检查，确定其组织和力学性能是否正常，避免类似断裂事故再次发生。

参考文献：

[1]Seif M S， Weigand J M， Peixoto R， et al. Behaviour of high-strength bolts at elevated temperatures under double-shear loading[J]. 2017.

[2]王德宝，张峰，浦红，等.35CrMo高强度连接螺栓杯锥状断口失效分析[J].安徽冶金，2014（3）：22-25.

[3]吴玉枝，陈云祥，厉晓航.10.9级高强螺栓断裂失效分析[J].金属热处理，2009，34（11）：108-l1O.

[4]Mo？觩e P， Beg D. High strength steel tension splices with one or two bolts[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2010， 66（8-9）： 1000-1010.

[5]欧阳卿.高强螺栓受力及疲劳性能研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[6]周艳，张洁.高强度螺栓断裂原因分析[J].理化检验-物理分册，2014，50（7）：526-527.