锅炉钢结构高强螺栓连接及失效分析

【摘要】本文主要分析了锅炉钢结构高强螺栓的连接方法和连接的要点、步骤，进而探讨了锅炉钢结构高强螺栓使用过程中的断裂失效问题，以期可以为锅炉钢结构高强螺栓的使用提供借鉴。

【关键词】锅炉；钢结构；高强螺栓；连接；失效

中图分类号：TU391文献标识码： A

一、前言

目前，锅炉钢结构高强螺栓的应用十分广泛，几乎在锅炉结构中都会应用，所以，为了提高锅炉应用的效果，就要确保锅炉钢结构高强螺栓的使用质量，这就需要我们分析其连接和失效的问题。

二、高强螺栓的应用现状及其问题

我国的设计规范(1)将高强螺栓连接按受力特性分为摩擦型连接(极限状态下抗滑移设计)和承压型连接(允许实用阶段滑移设计)两种。目前在国内的设计图纸大都采用摩擦型连接设计,而采用承压型连接设计相对较少。而后者在国外的应用却相当普遍。究其原因,主要是国内设计人延续了旧规范(GB17-88)中的设计思路。而GB17-88对承压型连接的施工及设计要求非常严格(施工方面:对摩擦面的处理有明确的要求,对孔径要求比摩擦型更为严格。设计方面:满足在使用状态下进行抗滑移设计)。然而其应用范围却只限于静力或间接动力载荷。因而极大的限制了承压型连接的使用。尽管新规范(1)对于承压型连接已经取消了对摩擦面的处理及使用状态下进行抗滑移设计的要求,但由于与之相关的规程(2)没有更新以及许多手册上相关设计资料甚少,也一定程度上限制了其应用的推广。

三、锅炉钢结构高强螺栓连接

1、安装顺序

（一）一个接头上的高强度螺栓,应从螺栓群中部开始安装,逐个拧紧,初拧、复拧、终拧都应从螺栓群中部开始向四周扩展逐个拧紧,每拧紧一遍应用不同颜色的油漆做上标记,防止漏拧。

（二）接头如有高强度螺栓连接又有焊接连接时,除按设计规定外,一般按照先紧固后焊接(先栓后焊)的施工工艺顺序进行,先终拧完高强度螺栓再焊接焊缝。

（三）高强度螺栓应自由穿入螺栓孔内,严禁强行穿入。如必须进行扩孔时,应用铰刀进行修正。修孔数量不得超过一个接头螺栓孔面总个数的1/3,修正后孔的最大直径应小于1.2倍螺栓直径。

（四）修孔时为防止铁屑落入板迭缝中,铰孔前应将四周螺栓全部拧紧,将板迭密贴后进行,严禁用气割进行高强度螺栓的扩孔工作。

2、高强度螺栓的紧固

（一）高强度螺栓的紧固是用专门扳手拧紧螺母,使螺杆内产生要求的拉力。

大六角头高强度螺栓施工现场一般采用扭矩法拧紧。扭矩法分初拧和终拧二次拧紧。初拧扭矩用终拧扭矩的30%~50%,再用终拧扭矩把螺栓拧紧。如板层较厚,板叠较多时初拧的板层达不到充分密贴,还要在初拧和终拧之间增加复拧,复拧扭矩和初拧扭矩相同或略大。

（二）使用扭矩扳手应按规定进行校准,使用前应对扭矩扳手进行校核,合格后方可使用。

（三）高强度螺栓的紧固顺序从刚度大的部位向不受约束的自由端进行,同一节点内从中间向四周,紧至板间密贴。

（四）严格按照从中间向四周扩展的顺序,执行初拧、(复拧)、终拧的施工工艺程序,严禁一步到位的方法直接终拧。

3、关于螺栓与焊缝组合使用的问题

通常在对现有结构进行焊接加固改造,常常会遇到现有的连接节点承载力无法满足新的设备载荷,需要进行节点焊接加固。而规范(1)并没有关于栓接和焊接方面的规定。而国外规范大都列入了可以考虑栓焊并用共同承载的条文。以下列出相关规范可供设计参考。

以下引述美国规范J.1.8条关于螺栓和焊缝组合使用的相关内容。

在新建工程中,作为承压型设计的螺栓应视为不能和焊缝一起承载,如果使用焊缝了,则焊缝应能承受连接中的全部外力,在滑移破坏的连接中,可认为高强螺栓能和焊缝一起承载。

在对结构进行焊缝加固改造时,符合摩擦型连接设计的已有的高强螺栓可认为能承受其设计荷载,而焊缝仅需提供所需的剩余部分设计强度。欧洲规范(8)规定:

设计为摩擦型连接的8.8级和10.9级高强螺栓,可假定和焊缝同样分担载荷,但螺栓必须在焊完之后终拧。

可见美国允许先拧紧螺栓后焊接,这样可以避免由于焊接对板件产生变形而导致螺栓无法夹紧,而欧洲规范则更多的考虑了由于焊接加热对已拧紧的高强螺栓产生的应力松弛。在具体加固设计中,根据笔者的经验,尽量减小加固所需焊缝的焊脚尺寸,并要求施工方在焊接时采取必要的措施以减少焊接产生的热量,严格控制焊接过程中已有螺栓不得发生滑移。这种做法在已完成的几个改造中均产生令人满意的效果

四、高强螺栓断裂原因分析

图1断裂螺栓照片

1、断裂螺栓的检验

某项目扭剪型高强螺栓出现断裂问题后(图1),用户和高强螺栓生产厂家委托秦皇岛和上海的材料研究所对高强螺栓的质量进行检测｡材料的金相硬度､抗拉强度､屈服强度､伸长率､断面收缩率､楔负载检测结果合格,但紧固轴力数据偏大(标准值为190~230kN,其检测最大值为272kN),并且表面氢含量较高｡

2、断裂原因分析

（一）螺栓表面氢含量较高｡断裂螺栓表面氢含量为0.015%,使用过未断裂螺栓表面氢含量为0.011%,未使用过的螺栓表面氢含量为0.0084%和0.0017%,未使用过螺栓芯部氢含量为0.00001%｡由此可见,表面氢含量较高可能与螺栓表面处理有关而与原材料无关｡

螺栓表面氢含量较高,可能来自螺栓加工的磷化处理过程中｡工件磷化时在阳极区铁开始溶解为Fe2+,同时放出电子｡阴极区放出大容量氢｡阴极过程形成氢,部分原子态氢被基体吸收,而一般磷化处理后不会进行去氢处理,那么渗入的氢将无法去除｡高强螺栓交付工地后,露天放置时间超过半年,经过整个冬季,螺栓表面和包装箱严重受潮,螺栓表面出现水珠和水汽,有的螺栓已生锈｡因此,长时间露天存放是高强螺栓表面氢含量超标的另一个原因｡

（二）紧固轴力的影响｡螺栓在工厂制造或现场储存时保管不善导致紧固轴力增大｡在实际安装中,扳手的扭矩加大是螺栓断裂的另一个原因｡

（三）断裂原因｡高强螺栓检测结果表明,断裂螺栓金相组织正常,硬度等指标都符合规范要求,说明热处理工艺正常｡

高强螺栓在安装过程中发生断裂,是由于高强螺栓表面含氢量较高,加上紧固轴力较大,超过规范要求,使螺栓承受较大的应力｡而且断裂部位大部分发生在柱接头处,有明显的残余应力存在,螺栓在紧固轴力和残余应力共同作用下发生氢脆而产生延迟断裂｡

五、提高螺栓球节点疲劳强度的措施

1.改善螺栓螺纹牙间的载荷分布

轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，从螺栓与螺栓球啮合处算起，外露第一圈受载最大，以后各圈递减。适当增加旋入长度可达到提高疲劳强度的要求。

2.避免或减小螺栓附加应力

由于设计、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受到附加弯曲应力,这对螺栓疲劳强度的影响很大，应设法避免。例如，40Cr制M30高强螺栓在=112MPa作用下，当有偏心存在时，其疲劳寿命仅为11.45万次，而在正常情况下，其疲劳寿命可达176万次。

3.减小螺栓螺纹的应力集中

螺纹的牙根、螺栓头部与栓杆交接处，都有应力集中，是产生断裂的危险部位。其中螺纹牙根的应力集中对螺栓的疲劳强度影响很大。可采取增大螺纹牙根的圆角半径、在螺栓头过渡部分加大圆角等措施来减小应力集中。

4.改善制造工艺

制造工艺对螺栓的疲劳强度有很大影响。对于高强度钢制螺栓，更为显著。采用制螺纹时，由于冷作硬化的作用，表层有残余压应力，金属流线合理，螺栓疲劳强度比车削的高。碳氮共渗、氮化、喷丸处理都能提高螺栓疲劳强度。

六、结束语

综上所述，要想提高锅炉的使用效果，就要分析锅炉钢结构高强螺栓的使用问题，不仅要重视连接质量，还要在运行的过程中注重其失效的问题，采取措施来避免问题的出现。

【参考文献】

[1]徐锐,李鸿,张宗林,马昆,李巍,吴萍.TC25钛合金四级压气机盘失效分析[J].失效分析与预防.2012(01)

[2]宋志慧,郑慧敏.钢结构高强螺栓脆性断裂的研究现状[J].建材技术与应用.2012(01)

[3]陈小方,卜安珍,陈亚军.某柴油机曲轴失效分析[J].现代车用动力.2012(01)