分享：超临界电站磨煤机12.9级高强度螺栓断裂原因

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  内蒙古电力（集团）有限责任公司 内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020

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  内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司，锡林浩特 026000

某超临界电站在运行过程中，其中速磨煤机的磨辊连接高强度螺栓发生断裂现象，该断裂螺栓为12.9级高强度螺栓。笔者采用宏观观察、扫描电镜（SEM）分析、化学成分分析、金相检验、力学性能测试等方法对螺栓断裂原因进行分析，以避免类似事故再次发生。

1.   理化检验

1.1   宏观观察

对断裂的磨煤机高强度螺栓进行宏观观察，其宏观形貌如图1所示。送检分析的3支螺栓表面均经过磷化处理，但螺纹处仍可见轻微锈蚀，其中两支发生断裂，且断裂位置均为第8扣螺纹处。由图1可知：螺栓1断面（断口1）颜色均匀一致，无明显腐蚀痕迹，断口存在疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，瞬时断裂区与螺栓横截面大致呈45°；螺栓2断口（断口2）的形貌与螺栓1基本一致。

图  1  断裂高强度螺栓宏观形貌

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1.2   扫描电镜分析

对断口1与断口2的断面清洗后，再将其置于扫描电镜下观察，结果如图2~3所示。由图2~3可知：断口1的断面整体为银灰色，其上可见沿外圈分布的裂纹扩展区及位于心部的瞬时断裂区，裂纹扩展区存在清晰的海滩状痕迹，瞬时断裂区与螺栓横截面大致呈45°，裂纹源位于螺栓断裂处的螺纹牙底，且瞬时断裂区面积较裂纹扩展区大，约占断口面积的70%；断口1的裂纹扩展区存在清晰且大致平行的二次裂纹与疲劳辉纹，二次裂纹短且间距宽，瞬时断裂区呈韧窝形貌，韧窝尺寸较小且浅，裂纹源区可见细小的台阶形貌；断口1呈现线源低周疲劳形貌；断口2与断口1的主要特征接近，同样可观察到螺纹牙底的裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区，扩展区可见二次裂纹和疲劳辉纹，瞬时断裂区呈韧窝形貌。

图  2  断口1的SEM形貌

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图  3  断口2的SEM形貌

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1.3   化学成分分析

在断裂螺栓上截取试样，用直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对12.9级高强度螺栓的要求；送检方未能提供该螺栓的材料牌号，其检测值符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对35CrMoA钢的化学成分要求，而35CrMoA钢是12.9级螺栓的常用材料，断裂螺栓的化学成分未见异常。

Table  1.  断裂高强度螺栓的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	B
实测值	0.37	0.23	0.59	0.006	0.002	1.03	0.19	0.001
GB/T 3098.1—2010标准值	0.30~0.50	—	—	≤0.025	≤0.030	≥0.30	—	≤0.003
GB/T 3077—2015标准值	0.32~0.40	0.17~0.37	0.40~0.70	≤0.030	≤0.030	0.80~1.10	0.15~0.25	—

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1.4   金相检验

在磨煤机螺栓横截面上截取试样，再将试样置于光学显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：高强度螺栓的显微组织为调质后的回火索氏体，未见表面硬化处理层（表面淬火、渗碳氮层等）组织，未见明显增碳现象；螺栓断裂处螺纹牙底有轻微脱碳现象，并且在半脱碳层上还可观察到微裂纹。

图  4  断裂高强度螺栓显微组织形貌

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1.5   力学性能测试

使用全自动维氏硬度计对断裂的磨煤机高强度螺栓进行维氏硬度测试和增碳试验，其中维氏硬度测试选用294 N试验力，增碳试验选用2.942 N试验力；使用摆锤式冲击试验机对螺栓的机械加工件进行冲击试验，试验温度为－20 ℃；使用SHT4206型计算机控制电液伺服万能试验机对未发生断裂的螺栓成品进行楔负载拉力试验，试验结果如表2所示。该断裂螺栓为12.9级高强度螺栓，根据GB/T 3098.1—2010标准要求，其维氏硬度应为385~435 HV，表面硬度不超过435 HV0.3，且不超过心部硬度+30 HV。由表2可知：断裂螺栓的硬度低于12.9级螺栓硬度标准要求的下限，仅满足10.9级螺栓的硬度标准要求，其表面硬度符合标准要求，不存在表面增碳现象，螺栓抗拉强度仅为1 135 MPa，低于标准对12.9级螺栓的强度要求。标准未对12.9级螺栓的冲击吸收能量进行规定，在实际生产运行中，部分风电用12.9级螺栓在－40 ℃下的冲击吸收能量不小于27 J[1]，而对该检测螺栓的低温冲击韧性无较高要求，检测显示其在－20 ℃下的低温冲击吸收能量为24 J，虽未达到27 J，但其塑韧性较好，能够满足实际使用需要。

Table  2.  断裂高强度螺栓的力学性能测试结果

项目	增碳试验维氏硬度/HV0.3	维氏硬度/HV30	抗拉强度/MPa	冲击吸收能量/J
表面实测值	370	350	1 135	24
基体实测值	361
标准值	≤435	385~435	≥1 220	—

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2.   综合分析

高强度螺栓常见的断裂原因主要有氢致延迟开裂、疲劳开裂、应力腐蚀开裂等[2-4]，12.9级高强度螺栓的强度高、硬度大、内应力较大，且具有很高的缺口敏感性，极易在螺纹牙底等应力集中处发生氢脆开裂，若服役条件下存在腐蚀环境，也容易发生应力腐蚀开裂[5]。分析的断裂螺栓断面呈金属银灰色，未发现明显腐蚀痕迹，外表面磷化层较为完整，未出现大面积腐蚀情况，断裂源区未发现腐蚀坑等形貌，且未发现沿晶断裂特征，与应力腐蚀及氢致延迟开裂的宏、微观特征不符。由断口宏观及微观分析结果可知，螺栓断裂方式为线源疲劳断裂。多数情况下，紧固件的疲劳断裂方式为高周疲劳断裂，其疲劳扩展区面积较大，断口较为平整，但该断裂螺栓的疲劳断口具有低周疲劳特征，瞬断区面积较大，断口高低不平，更接近于静拉伸断口特征[6]，这是由于送检分析的断裂螺栓硬度、抗拉强度均低于标准对12.9级螺栓的要求，仅符合10.9级螺栓的要求，在较高的工作应力下，螺栓的抗疲劳性能不足。因此，磨煤机在工作过程中产生的循环冲击载荷作用下，于螺纹牙底应力集中处萌生裂纹，裂纹随着工作环境振动产生的交变应力发生疲劳扩展，使得螺栓的有效承载截面已无法承受工作应力，最终发生断裂。调质处理是影响12.9级紧固件性能的重要工序，在材料调质处理过程中，淬火工艺参数主要影响原奥氏体晶粒度，而回火处理工艺参数是影响调质处理后力学性能的主要因素，35CrMoA钢12.9级高强度螺栓的回火温度一般为（480±20） ℃，随着回火温度的升高，其抗拉强度和屈服强度会随之降低[7]。根据金相检验结果，未见螺栓组织中有大量的铁素体及粗大贝氏体等异常组织，即淬火温度及保温时间未见明显异常，强度偏低主要是由回火温度偏高引起的，建议在生产调质热处理工艺中适当降低回火温度，确保螺栓的力学性能符合标准要求。

3.   结语与建议

该12.9级高强度螺栓的断裂性质为线源疲劳断裂，主要由于其硬度低于12.9级螺栓的要求，在服役过程中，应力集中处萌生裂纹，裂纹发生疲劳扩展，直至螺栓剩余截面无法承受工作应力而发生断裂。12.9级螺栓调质处理时的回火温度偏高是导致其强度偏低的主要原因。建议电站在购置备品备件时按批次抽检高强度螺栓的力学性能，确保所使用螺栓符合设计服役要求，从而避免类似问题再次发生。