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专业知识

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风电塔筒地脚螺栓断裂失效分析

2020-03-03

        在一风电施工现场,塔筒地脚螺栓在安装拧紧过程中断裂失效。通过对断裂螺栓断口宏观形貌、化学成分、力学性能以及金相组织等进行检测和分析,发现螺栓表面经过镀锌处理,螺栓在镀锌前螺纹表面已存在一些微裂纹,镀锌过程又引起螺栓脆性增加,从而导致其发生早期断裂失效。
1、理化检验
1.1 宏观断口观察

图1为选取某公司提供的3支已断裂的螺栓(1#、2#、3#)的整体形貌,其断口形貌如图2所示。断裂位置为螺栓螺纹部分,距螺栓端面300mm。从图2可见,裂纹源位于螺纹丝扣底部,多条裂纹源由四周表面向中心扩展,断口附近没有缩颈现象。

图1
图2
1.2 化学成分分析

为检验断裂的高强度螺栓化学成分是否合格,选取1#螺栓,根据GB/T4336-2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》,利用JS-DN328型电脑多元素快速分析仪进行元素含量分析,结果如表1所示。所测元素含量符合GB/T3077-2015《合金结构钢》技术要求。

1.3 力学性能测试

选取断裂螺栓,通过车削去除断裂部分螺纹后,根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》,利用WEW-1000B微机屏显液压式万能试验机对试样进行拉伸试验,试验结果如表2所示。可见,测试所得试样的屈服强度、抗拉强度明显高于GB/T3098.1-2010标准中对等级为10.9S螺栓的要求。由于试棒断裂处与最接近的标距标记的距离小于原始标距的1/3,未测得断后伸长率。

1.4 硬度测试

硬度试验采用GB/T230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法》,利用HR-150A洛氏硬度计对该断裂螺栓的断口附近螺栓横截面的近表面处与半径1/2处进行硬度检测,试验结果如表3所示。可见,试样的近表面硬度及半径1/2处硬度均高GB/T3098.1-2010标准要求。

1.5 金相检测

取断口裂纹源处纵向试样进行金相检测,结果如图3所示。三件样品的基体组织均为回火索氏体,组织为正常热处理调质组织,非金属夹杂物也属正常情况。

图3

图4为通过金相显微镜观察得到的高强度螺栓镀锌层与基体结合面的图像。通过对图4中镀锌层的测量,可得样品镀锌层的厚度。1#样品镀锌层厚度为0.08~0.12mm,2#样品镀锌层厚度为0.07~0.11mm,3#样品镀锌层厚度为0.08~0.10mm。通过对图4的进一步观察可以看到,三件样品镀锌前螺纹表面已存在裂纹,镀锌层沿裂纹已渗入基体,且镀锌层与基体结合不致密,螺栓受力后裂纹尖端继续向基体内部扩展至一定深度。其中,3#样品镀锌层与基体结合面处微裂纹较多。对图5所示位置进行测量发现,镀锌前螺纹表面裂纹长度0.15mm,镀锌后裂纹尖端产生的二次微裂纹渗入基体深度为0.19mm

图4
2、分析与讨论

失效螺栓的理化检验结果表明,螺栓材料化学成分、基体组织和非金属夹杂物均符合GB/T3098.1-2010等标准的有关技术要求。高强度螺栓的断裂段金属屈服强度和抗拉强度较高,断口附近硬度高于标准范围,表明螺栓热处理工艺不妥,回火温度偏低,且螺栓44~45HRC的高硬度值加剧了其镀锌以后的脆性倾向

图5

通过断口宏观形貌观察发现,断口没有缩颈现象,表明该高强度螺栓属于脆性断裂。

镀锌时产生的氢气会渗入金属基体晶格中,造成晶格扭曲,内应力增大,产生脆性。高强度螺栓经过一定时间镀锌后,如果不进行除氢处理,会导致脆性大幅度增加。金相检验发现,该批螺栓在镀锌前螺纹表面已存在大量微裂纹,镀锌后镀锌层能够渗入基体,裂纹尖端处氢浓度更高,脆性更大,并导致原有裂纹尖端产生二次微裂纹

3、结论与建议

该镀锌高强度螺栓断裂的主要原因是镀锌前螺纹表面存在微裂纹,镀锌处理引起的螺栓脆性增加导致其早期断裂失效。建议首先改进螺纹表面质量,杜绝螺栓表面有微裂纹存在;其次,在镀锌后进行除氢处理。高强螺栓镀锌过程中,由于释放的氢气可侵入零件表面引起材料的脆性,因此高强度螺栓在镀锌后必须进行除氢热处理,且这个过程要进行充分,从而防止此种断裂现象的发生。需要注意,除氢处理越早越好,一般应在镀锌后2h以内进炉热处理,采用180~200℃加热,保温4~6h后出炉空冷即可。

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