塔吊螺栓疲劳断裂原因分析

  固定塔吊标准节六角头螺栓，规格为M30×345，表面电镀黄锌，材质为35CrMo，用于固定一台63t•m塔吊标准节，在服役大约5个月后断裂，断裂螺栓有塑性变形，可能有过载。使用期间在检修过程中曾发现螺栓松动，并进行过拧紧处理。

   对断裂件检查，图1所示为断裂螺栓，可见断裂面位于螺纹收尾处牙底。

图11-1 螺栓断裂形貌

   断口检查，图11-2为断口宏观形貌，可见断口附近无明显宏观塑性变形，断面上部平坦表面有清晰的疲劳弧线花样，其面积约占整个断面面积的一半；下部断面与螺栓轴向约成450。可见，该断口为典型的疲劳断口，疲劳源位于图11-1所示螺纹牙底。

图11-2 断面宏观形貌

图11-3所示为断口疲劳源区扫描电镜形貌，可见表面有明显磨损痕迹。图11-4所示为疲劳扩展区宏观形貌，可见疲劳弧线。

图11-3 疲劳源区电镜形貌               图11-4 疲劳裂纹扩展区宏观形貌

图11-5疲劳扩展区微观形貌，可见疲劳条带，间距约为2μm。图11-6为最终断裂区微观形貌，可见一系列等轴韧窝。

图11-5 疲劳裂纹扩展区微观形貌            图11-6 瞬断区微观形貌

金相检查，除上述已经断裂的主裂面外，在未断裂的残件上与主裂面起裂处同一侧的螺纹牙底也发现了一条裂纹，如图11-7所示。

                                   图11-7 裂纹宏观形貌  

沿螺栓轴向将螺栓剖开，观察裂纹的横截面，发现该裂纹走势挺直，无分支裂纹，两侧有锯齿状挤压痕迹，裂纹开口处的螺纹牙底无折叠缺陷；经腐蚀后发现螺纹牙底有脱碳迹象，裂纹两侧碳势正常，分别如图11-8、图11-9所示。

图11-10所示为螺栓金相组织，为回火索氏体和少量铁素体。

图11-8  裂纹横截面宏观形貌              图11-9 裂纹横截面金相  

                    图11-10 螺栓金相组织

   采用直读光谱法对螺栓进行化学成分分析，其化学成分符合相关标准中对35CrMo钢的要求，

   对断裂螺栓进行力学性能检测，受检各项指标均符合标准《GB/T 3098.1-2010》的规定如表11-1。

        表11-1   断裂螺栓力学性能检测值

图11-11  螺纹表面硬度分布

螺栓断面宏观上存在明显的疲劳弧线花样，为典型的疲劳断裂，瞬断区面积约占螺栓横截面积的一半，由此可推断螺栓断裂时承受中等应力，结合螺栓的实际安装、使用情况可知，每一节标准节均由8个螺栓固定，以两个为一组来固定其中的一个角。安装时凭工人经验来预紧，这就很难保证所有螺栓预紧力一致，实际工况中经常出现螺栓松动的情况。塔吊在运行过程中，由于频繁起重及转动，使螺栓除受轴向预紧力外还额外受到交变弯曲及剪切载荷，当其中一个螺栓松动时，另外一个螺栓势必将承受更大载荷而使其在屈服状态下工作。

螺栓服役期间，在检修过程中曾发现螺栓松动，并进行过拧紧处理，这极有可能因过载使螺栓产生塑性变形。

由于螺栓表面脱碳使其疲劳强度降低，螺栓在上述工作状态中，在过载应力作用下，首先在应力集中的牙底产生微裂纹，微裂纹在交变弯曲载荷下成为疲劳裂纹源；裂纹产生后在交变弯曲载荷下不断扩展直至螺栓发生失稳疲劳断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）螺栓断裂性质为疲劳断裂。

（2）故障螺栓表面脱碳使其疲劳强度降低，安装过载造成牙底产生微裂纹，微裂纹在交变弯曲载荷下成为疲劳裂纹源，裂纹在交变弯曲载荷下不断扩展至螺栓疲劳断裂。

（3）螺栓安装时按规定的扭矩预紧，并严格按规定的顺序安装，使各个螺栓达到一致的预紧力。

（4）增加检修频次，发现松动螺栓应及时拧紧或者进行更换。

（5）防止安装过载和检修拧紧过载，当发现螺栓变形应及时更换。