塔吊螺栓疲勞斷裂原因分析

  固定塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)六角頭螺栓，規(guī)格為M30×345，表面電鍍黃鋅，材質(zhì)為35CrMo，用于固定一臺(tái)63t•m塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，在服役大約5個(gè)月后斷裂，斷裂螺栓有塑性變形，可能有過(guò)載。使用期間在檢修過(guò)程中曾發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)，并進(jìn)行過(guò)擰緊處理。

   對(duì)斷裂件檢查，圖1所示為斷裂螺栓，可見(jiàn)斷裂面位于螺紋收尾處牙底。

圖11-1 螺栓斷裂形貌

   斷口檢查，圖11-2為斷口宏觀形貌，可見(jiàn)斷口附近無(wú)明顯宏觀塑性變形，斷面上部平坦表面有清晰的疲勞弧線花樣，其面積約占整個(gè)斷面面積的一半；下部斷面與螺栓軸向約成450?？梢?jiàn)，該斷口為典型的疲勞斷口，疲勞源位于圖11-1所示螺紋牙底。

圖11-2 斷面宏觀形貌

圖11-3所示為斷口疲勞源區(qū)掃描電鏡形貌，可見(jiàn)表面有明顯磨損痕跡。圖11-4所示為疲勞擴(kuò)展區(qū)宏觀形貌，可見(jiàn)疲勞弧線。

圖11-3 疲勞源區(qū)電鏡形貌               圖11-4 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)宏觀形貌

圖11-5疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌，可見(jiàn)疲勞條帶，間距約為2μm。圖11-6為最終斷裂區(qū)微觀形貌，可見(jiàn)一系列等軸韌窩。

圖11-5 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌            圖11-6 瞬斷區(qū)微觀形貌

金相檢查，除上述已經(jīng)斷裂的主裂面外，在未斷裂的殘件上與主裂面起裂處同一側(cè)的螺紋牙底也發(fā)現(xiàn)了一條裂紋，如圖11-7所示。

                                   圖11-7 裂紋宏觀形貌  

沿螺栓軸向?qū)⒙菟ㄆ书_(kāi)，觀察裂紋的橫截面，發(fā)現(xiàn)該裂紋走勢(shì)挺直，無(wú)分支裂紋，兩側(cè)有鋸齒狀擠壓痕跡，裂紋開(kāi)口處的螺紋牙底無(wú)折疊缺陷；經(jīng)腐蝕后發(fā)現(xiàn)螺紋牙底有脫碳跡象，裂紋兩側(cè)碳勢(shì)正常，分別如圖11-8、圖11-9所示。

圖11-10所示為螺栓金相組織，為回火索氏體和少量鐵素體。

圖11-8  裂紋橫截面宏觀形貌              圖11-9 裂紋橫截面金相  

                    圖11-10 螺栓金相組織

   采用直讀光譜法對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)35CrMo鋼的要求，

   對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，受檢各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 3098.1-2010》的規(guī)定如表11-1。

        表11-1   斷裂螺栓力學(xué)性能檢測(cè)值

圖11-11  螺紋表面硬度分布

螺栓斷面宏觀上存在明顯的疲勞弧線花樣，為典型的疲勞斷裂，瞬斷區(qū)面積約占螺栓橫截面積的一半，由此可推斷螺栓斷裂時(shí)承受中等應(yīng)力，結(jié)合螺栓的實(shí)際安裝、使用情況可知，每一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)均由8個(gè)螺栓固定，以兩個(gè)為一組來(lái)固定其中的一個(gè)角。安裝時(shí)憑工人經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)緊，這就很難保證所有螺栓預(yù)緊力一致，實(shí)際工況中經(jīng)常出現(xiàn)螺栓松動(dòng)的情況。塔吊在運(yùn)行過(guò)程中，由于頻繁起重及轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺栓除受軸向預(yù)緊力外還額外受到交變彎曲及剪切載荷，當(dāng)其中一個(gè)螺栓松動(dòng)時(shí)，另外一個(gè)螺栓勢(shì)必將承受更大載荷而使其在屈服狀態(tài)下工作。

螺栓服役期間，在檢修過(guò)程中曾發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)，并進(jìn)行過(guò)擰緊處理，這極有可能因過(guò)載使螺栓產(chǎn)生塑性變形。

由于螺栓表面脫碳使其疲勞強(qiáng)度降低，螺栓在上述工作狀態(tài)中，在過(guò)載應(yīng)力作用下，首先在應(yīng)力集中的牙底產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在交變彎曲載荷下成為疲勞裂紋源；裂紋產(chǎn)生后在交變彎曲載荷下不斷擴(kuò)展直至螺栓發(fā)生失穩(wěn)疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

（2）故障螺栓表面脫碳使其疲勞強(qiáng)度降低，安裝過(guò)載造成牙底產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在交變彎曲載荷下成為疲勞裂紋源，裂紋在交變彎曲載荷下不斷擴(kuò)展至螺栓疲勞斷裂。

（3）螺栓安裝時(shí)按規(guī)定的扭矩預(yù)緊，并嚴(yán)格按規(guī)定的順序安裝，使各個(gè)螺栓達(dá)到一致的預(yù)緊力。

（4）增加檢修頻次，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)螺栓應(yīng)及時(shí)擰緊或者進(jìn)行更換。

（5）防止安裝過(guò)載和檢修擰緊過(guò)載，當(dāng)發(fā)現(xiàn)螺栓變形應(yīng)及時(shí)更換。