42CrMo高强度螺栓在海洋大气环境中的应力腐蚀开裂风险评估

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

高强度螺栓广泛应用于结构的连接、紧固及密封。除了预紧拉伸载荷，螺栓在工作过程中还受到附加的轴向拉伸载荷、剪切载荷以及冲击载荷等。螺栓属于典型的缺口型零件，在缺口部位如螺杆根部、螺纹根部等易产生应力集中。对于在近海高热、潮湿腐蚀环境中使用的高强度连接螺栓，当缺口部位的氢浓度达到临界值时，在应力场的作用下，易产生应力腐蚀断裂[1]，断裂位置常发现于螺杆根部或第一扣螺纹处[2]。随着螺栓材料抗拉强度的增大，尤其当抗拉强度超过1 200 MPa时，应力腐蚀敏感性急剧增加[3]。氢在应力诱导下扩散并富集到临界值需要一段时间，因此高强度螺栓应力腐蚀裂纹(SCC)的形核与扩展不易通过常规方法进行监测。螺栓的应力腐蚀断裂失效，可导致结构、设备等出现安全隐患，并引发重大事故[4]，因此有必要对腐蚀环境中的高强度螺栓进行应力腐蚀开裂风险分析。

高强度螺栓的应力腐蚀评估研究主要涉及：1)螺栓材料，包含材料性能、材料组织、热处理、硬度等；2)螺栓零件工作应力，主要考虑螺栓尺寸、预紧力大小、残余应力和应力集中情况等；3)腐蚀环境，应对工作环境中的腐蚀介质、介质浓度、环境温度压力等因素进行分析。不少学者基于断裂力学通过建立材料应力腐蚀强度门槛值(KISCC)与零件的裂纹尖端应力强度(KI)的对比机制，评价零件在工作状态的应力腐蚀风险。CHEN等[5]根据上述思路，建立了大型空间钢结构应力腐蚀致裂风险评估机制，实现了大跨结构应力腐蚀开裂位置的有效识别。王会利等[6]通过Gerberich-Chen公式估算了高强度螺栓腐蚀裂纹扩展门槛值，并利用螺纹根部微裂纹不发生应力腐蚀扩展条件(KI≤KISCC)，给出了螺栓临界裂纹长度。但由于理论计算获得的KISCC受材料碳含量、腐蚀环境因子、载荷等多因素的影响，在进行安全评价时，建议采用针对性的试验方法进行应力腐蚀门槛值测定[7]。付长安等[8]采用应力腐蚀开裂及疲劳理论，分别给出了某飞机主起落架螺栓在水和X98-1胶水中的临界裂纹长度，并通过裂纹扩展速率(da/dt)估算了螺栓的延迟开裂时间。根据实际载荷工况，合理地选用加载预制裂纹试样，通过模拟腐蚀环境中的加速试验与自然大气环境中的暴露试验均可有效获得所研究材料的应力腐蚀门槛值以及裂纹扩展速率[9-11]。由于螺纹根部的应力强度难以通过测试手段获取，更多学者采用经验公式或有限元方法进行计算分析。KUMAR等[12]通过对螺栓进行有限元仿真，给出了三种裂纹形态(开裂式、滑移式、撕裂式)下，裂纹深度比a/d(裂纹长度/螺纹大径)和轴向拉应力对螺纹根部应力强度因子的影响。考虑螺纹轴肩、应力集中、螺纹张角以及螺纹干涉的影响，尹峰等[13]修正了具有轴肩圆柱体的应力强度因子表达式，并提出修正因子的直线方程替换方法，简化了表达式。同时，后续研究发现，螺栓原材料制造缺陷对裂纹扩展的影响较大，表面裂纹越大，应力集中的影响效应越小[14]。方栋等[15]通过试验测试了M56钢制螺栓的冲击断裂韧度及其在加速腐蚀环境中的腐蚀断裂韧性，并结合有限元计算分析了螺栓在预紧状态下的螺纹根部强度，确定了螺栓在工作条件下的可靠性。对于多排连接螺栓结构，高强度螺栓的连接结构在裂纹处会产生应力集中，以及发生裂纹扩展现象，这极易导致高强度螺栓应力或螺牙应变过大，可对连接结构的可靠性产生严重影响[16]。

某大型活动发射平台使用及存放地点属于典型海洋大气盐雾环境，平台钢箱梁结构使用大量法兰以及42CrMo高强度螺栓进行连接。高强度螺栓在盐雾环境中受预紧载荷、工作载荷联合作用，尽管采取了防护措施，但仍然存在应力腐蚀风险。为了确保产品使用的安全性，本工作通过在自然环境中的应力腐蚀试验对42CrMo高强度钢的应力腐蚀行为进行研究，同时提出采用螺栓螺纹根部应力强度因子计算模型，并建立了螺栓应力腐蚀安全性评估判据，对所使用的不同规格高强度螺栓进行应力腐蚀开裂风险评估，以期为高强度螺栓在盐雾环境中的设计应用与应力腐蚀防护提供参考及依据。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为42CrMo钢，化学成分见表1。材料屈服强度为930 MPa，热处理至HRC 34～36后对试样两侧面打磨至露出金属基体。

表1 试验材料的化学成分Tab.1 Chemical composition of test samples %

1.2 试验方法

采用楔形张开加载(WOL)预裂纹试样进行应力腐蚀试验，根据GB 12445.3—1990《高强度合金楔形张开加载(WOL)预裂纹试样应力腐蚀试验方法》标准，试样裂纹尖端需满足平面应变条件，试样尺寸如图1所示。使用高频疲劳试验机对试样进行预制疲劳裂纹，裂纹长度为2～2.5 mm。预制裂纹前，使用汽油等溶剂对机加工试样的表面及线切割槽清洗干净并干燥，最大疲劳载荷为10 kN；预制裂纹后对裂纹进行测量，两侧面裂纹与中心面偏离均不大于10°。

图1 改进型WOL试样尺寸Fig.1 Dimension of modified WOL specimen

应力腐蚀试验在海洋大气环境中进行，试样置于海南万宁试验站近海无防护林区，试验站大气环境参数如表2所示，该大气环境与螺栓产品使用的环境基本相同。

表2 万宁试验站大气环境参数Tab.2 Atmospheric parameters in Wanning test station

根据拉伸试验机对试样载荷标定的曲线，当张口位移为0.75 mm时，试样进入屈服阶段。试样采用M10螺栓进行加载，加载时将试样固定在台虎钳上夹紧，用扳手匀速转动螺钉加载到指定张口位移值，并通过式(1)计算不同张口位移下的初始裂纹尖端强度KI。

(1)

(2)

表3 试验不同加载条件Tab.3 Different loading conditions in the test

试验过程中，定期通过读数显微镜对试样进行裂纹扩展长度测量，并记录相应试样挂置时间。根据取得的裂纹长度和相应的时间计算应力腐蚀强度因子KI和裂纹扩展速率da/dt，当裂纹平均扩展速率小于或等于10-9m/s时，停止试验。试验后沿裂纹拉断试样并清理断口，沿厚度方向不同位置(25%、50%、75%)测量裂纹长度，并取平均值，记为试验终止裂纹长度。

2 试验结果分析

图2 不同加载强度条件下的应力腐蚀裂纹长度(测量值)Fig.2 Stress corrosion crack length under different loading strength condition(measured values)

图3 42CrMo试样应力腐蚀da/dt与KI的关系(Boltzmann函数拟合)Fig.3 Relationship between da/dt and KI for 42CrMo specimens (fitted by Boltzmann function)

(a)2号试样

(b)4号试样图4 不同试样裂纹分界面微观断口形貌Fig.4 Micro morphology in the crack interface of the specimens：(a)No.2 sample;(b)No.4 sample

3 螺栓应力腐蚀失效风险评估及讨论

3.1 螺纹根部应力强度因子

根据断裂力学原理，螺栓可视为含有环形裂纹的光滑圆柱体。螺栓在工作时主要受轴向拉应力的作用，考虑缺口处的应力集中，根据以下公式[13]，可计算螺纹根部应力强度因子KI：

(3)

(4)

在螺纹加工过程中，由于工艺控制不当可能使得螺纹根部在机械损伤下产生微裂纹，裂纹尖端存在较高的三向应力场，在盐雾环境中易促使氢缺陷大量聚集，微裂纹的存在会极大缩短螺栓根部裂纹的孕育期。若在螺纹根部存在长度为a的微裂纹，则带附加裂纹的螺栓根部应力强度因子KI可由下式进行计算[13]：

(5)

(6)

(7)

研究表明，依据光滑圆柱表面环形裂纹断裂力学，采用缺口形状系数对公式进行修正时，缺口尺寸比例范围的适用范围为0.01

3.2 螺栓应力腐蚀安全性判据

高强度螺栓的应力腐蚀延迟断裂，受到使用工况、材料强度、腐蚀环境、测试结果等多种不确定因素的影响。在评价螺栓零件应力腐蚀断裂风险的过程中引入安全系数n，则安全评价判据可由下式表达：

(8)

3.3 案例分析

以某沿海发射平台主梁法兰连接螺栓(M56)和塔架连接螺栓(M42、M36)为例，螺栓螺纹均按GB/T 196—2003设计，图5所示为平台钢箱梁法兰连接结构。螺栓使用42CrMo钢，屈服强度930 MPa。在预紧力、工作载荷的作用下，M56主梁螺栓计算工作应力为354 MPa，M36和M42塔架螺栓的计算工作应力均为400 MPa。

图5 钢箱梁法兰结构Fig.5 Flange structure of the steel box girder

根据式(3)和式(4)，可得到无初始裂纹条件下，以上各规格螺栓螺纹根部应力强度及使用安全评估结果，如表4所示。螺栓应力腐蚀风险评估时安全系数n取1.5，当前产品中设计使用的主要连接螺栓均不会发生应力腐蚀开裂。如图6所示，随着工作载荷的增加，螺纹根部应力强度线性增加，不同规格的螺栓在较低工作应力下螺纹根部的应力强度差异并不明显。对于M56螺栓，不发生应力腐蚀的最大工作应力为685 MPa，是当前使用载荷的1.94倍。

表4 发射平台螺栓应力腐蚀断裂安全性评价结果Tab.4 Evaluation results of SCC risk of the bolts on the launch platform

图6 螺纹根部应力强度KI随螺栓工作应力的变化Fig.6 Variation of KI with the working load of bolts

在实际工程应用中，由于种种原因，如机加工、热处理以及复杂的使用工况，螺纹根部易出现微裂纹缺陷。根据式(5)～(8)，可计算出高强度螺栓在不同工作应力下的允许裂纹长度。如图7所示，当工作应力为400 MPa时，M24和M36螺栓不发生应力腐蚀断裂的最大允许裂纹长度为0.96 mm和0.99 mm；当工作应力为354 MPa时，M56螺栓不发生应力腐蚀断裂的最大允许裂纹长度为1.34 mm。高强度螺栓应力腐蚀风险随微裂纹长度的增大而增加，当超过临界允许裂纹长度，螺栓将出现应力腐蚀裂纹扩展乃至断裂。在较小的轴向工作应力范围内，含微裂纹缺陷的螺栓抗应力腐蚀开裂性能随工作应力的增加而急剧下降。在盐雾环境中使用高强度螺栓进行连接的结构，螺栓选型设计时应进行应力腐蚀安全性评估，通过减小螺栓有效工作应力，以降低应力腐蚀风险，同时利用服役期内定期检修时的超声探伤检测，进行螺栓缺陷的识别与控制，以确保产品的使用安全性。

图7 不同工作应力下螺纹根部最大允许裂纹长度Fig.7 Maximum allowable crack length in the thread roots under different working loads

4 结论

(2)基于断裂力学建立了螺栓零件应力腐蚀安全性评估判据，通过评估确认了某发射平台不同规格42CrMo高强度螺栓无应力腐蚀开裂风险，确保产品使用的安全性；

(3)高强度螺栓的应力腐蚀开裂风险随工作应力的增加而增大；在较小的轴向工作应力范围内，含微裂纹缺陷螺栓的抗应力腐蚀开裂性能随工作应力的增加而急剧下降。