10.9级高强地脚螺栓质量控制研究

徐绍婷

（中交二公局第五工程有限公司，福建 厦门 361000）

1 工程概况

翔安机场快速路工程分南北2段，双向6车道（高速公路并结合城市快速路标准），设计速度100km/h，全长17.5km，其中南段跨南港海峡至大嶝岛，居厦漳泉闽南“金三角”中心地带。主线护栏结构形式为混凝土底座加金属梁柱式护栏的SS结构形式，护栏立柱和底座采用地脚螺栓连接，原设计平均每千米使用12 000个10.9级高强地脚螺栓。

常用的高强地脚螺栓原材料由牌号分别为40Cr和35CrMo 2种材质的钢材经过调质后得到。翔安机场项目钢材原材料厂家是某特钢有限公司生产的热轧圆钢，热处理厂为某调质厂。在施工过程中需清楚认识到，设计要求的高强地脚螺栓质量要高于普通地脚螺栓，由于没有高强地脚螺栓的现行行业规范，加大了对10.9级高强地脚螺栓的质量控制难度。考虑到高强地脚螺栓在防撞护栏传力过程中的重要作用，同时为避免施工过程中出现不合格情况，需将其质量控制作为施工控制的重点工作。本次研究通过对地脚螺栓原材及调质工艺的分析，总结出高强地脚螺栓易出现问题的原因，并采取积极有效措施进行质量控制。

2 高强地脚螺栓调质

高强螺栓调质分为加热、淬火、回火3个过程。

2.1 加热

加热是热处理的重要工序之一。金属热处理中加热方法很多，现在主要是电炉加热，电的应用使加热易于控制。金属加热时，金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装等方法进行保护加热。加热温度的选择和控制是保证热处理质量的重要环节，加热温度随被处理的金属材料的不同来选择。热处理的目的不同，则加热的温度也不同，任何情况下，要达到加热处理效果一般都要加热到相变温度以上。另外，相变的转变过程需要一定的时间，因此，当工件表面加热达到设定的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度均匀一致，使显微组织相变转变完全。

2.2 淬火

从狭义上说，淬火就是把钢件加热到临界温度以上后，保温一定时间，使奥氏体完全转化后再以大于临界冷却速度冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当其达到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此，必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体温淬火4类。根据淬火介质不同，主要有水冷淬火、油冷淬火、空气冷淬火[1]。

钢淬火的主要目的是提高钢件的硬度、强度、耐磨性等，并与各种回火工艺配合提高钢的强韧性或弹性等，以满足各种机械零件和工件的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。淬火前要保证工件表面不能有直裂纹、碰伤、缺边、锐边、尖角、锈蚀，淬火前应明确硬度要求，从而选择合适夹具。正式淬火之前需试淬，试淬后的工件需进行试验检测合格，根据试淬所确定的淬火工艺方可批量生产，在生产中需经常抽检，防止质量波动和质量不均匀。

对于截面承载均匀的重要构件，如螺栓、连杆等要全部淬透，例如，35CrMo热轧圆钢淬透性好，经淬火后抗拉强度显著提高，试验结果如表1所以。

表1 35CrMo热轧圆钢淬火前后抗拉强度对比

2.3 回火

回火是指将淬火钢加热到低于临界点某一温度，保温适当时间后置于空气或水中冷却的工艺。回火的目的有2个：（1）减少或消除淬火内应力，防止变形开裂；（2）获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高、脆性大，回火可调整其硬度、韧性。淬火后的马氏体或残余奥氏体常温下为亚稳定状态，回火后可转变为稳定状态。

2.4 调质过程中易出现的质量问题

调质是影响地脚螺栓质量的最重要环节，翔安机场路项目使用的地脚螺栓是调质厂加工的。调质过程对每道工艺要求均非常严苛，加热和冷却过程均需严格控温，保证调质质量和调质的均匀性。

在加热过程中靠里面炉内壁和接近炉口的温度有差异，会导致加热不均匀。靠里面的地脚螺栓相变比较彻底，而靠近炉口处相变不充分，从而导致调质质量不均匀性。

冷却过程中，有时炉口不能保证绝对的致密性，工件与空气接触，常常发生氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低），这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。

介于上述情况的存在，地脚螺栓的加工质量存在质量波动风险，这也是一些地脚螺栓热处理厂签订订货合同的时候只将硬度作为交货技术要求，而未将抗拉强度作为交货指标的原因。对于一直对钢筋混凝土比较熟悉的施工单位而言，其对于钢材热处理原理不甚知悉，对热加工工艺流程也不了解，故在实际使用过程中容易出现高强地脚螺栓的质量问题。施工控制检测中，高强地脚螺栓没有具体的规范对其检测频率提出明确要求，这加大了质量控制的风险，其抗拉强度只能按照检测单位推荐的GB/T 3077—2015《合金结构钢》进行控制，要求检测频率按金属原材每批次≤60t[2]。项目按照每批次实际进场量≤5 000根地脚螺栓，实际钢材用量为22t控制。前期对未安装使用的地脚螺栓共进行了6次试验，试验结果见表2。

表2 高强地脚螺栓强度实测值

从表2可以看出，高强地脚螺栓存在质量波动，按每批次5 000根抽检虽然满足规范要求，但由试验数据可知，该抽检频率不能保证有效控制螺栓质量。经过对厂家实际生产情况深入调查发现，该调质厂每炉调质数量大约为1 000根，由于炉口温度不均和氧化现象的发生，每炉抗拉强度合格率＜90%，无法满足过程合格率100%要求。由此可见，为保证高强地脚螺栓的质量，需特别重视高强地脚螺栓的试验检测工作，尤其应加大拉伸强度试验检测频率，根据厂家每炉批次实际加工数量进行检测，安装使用过程中也需随机取样。若按照5 000根抽检2根试样每组样品代表性不足，无法客观反映进货产品质量。

3 高强地脚螺栓原材

高强地脚螺栓原材是影响其质量的关键因素，翔安机场快速路所使用高强螺栓调质原材有2种，牌号分别是40Cr和35CrMo热轧圆钢，其性能特性比较见表3。

表3 40Cr和35CrMo钢材性能对比表

由表3可知，钢材材质不同所具有的热加工特性不同，牌号为35CrMo热轧圆钢比40Cr圆钢整体性能更好，强度更有保证，韧性更好，更适合10.9级高强螺栓的调质。故项目后期均使用35CrMo热轧圆钢加工高强地脚螺栓。

4 结语

结合高强地脚螺栓原材和调质实际情况，10.9级高强螺栓容易出现质量问题，其中，原材和热加工是出现质量问题的主要环节，需对其质量控制高度重视，加大抽检频率，加强调质厂质量约束。同时注意合同质量约束条款需要有针对性，迫使加工厂改进调质工艺和设备，提供真正满足项目质量要求的高强地脚螺栓。随着当下工程项目类型的多元化，质量要求不断提高，要求施工人员需掌握的专业知识也不断扩充，对于专业分包不能以包代管，不能完全相信所谓的专业人员。在质量抽检中要延伸试验检测的深度，对用于结构物的材料，质量控制不能流于形式，不能仅仅满足规范对检测频率的要求，更要查阅各种相关规范，了解与该产品相关的信息、质量控制点以及如何控制好这些控制点。要扩展试验检测的广度，对于产品的加工工艺、厂家规模和厂家资质必须进行综合了解，以便有的放矢地进行质量控制。