螺丝为什么会断（螺栓断裂，可能原因分析）

1、背景

紧固件是应用最广泛的基础零件之一，其可靠性与整个装备或结构的安全可靠运行密切相关。根据多年紧固件失效案例的统计分析结果，对紧固件失效的形式和原因进行分类可以看出，由于制造过程的管控不到位导致的断裂事故，主要有非金属夹杂物导致的失效、螺栓冷镦R角折叠，设计或制造头部结构不合理，热处理增碳与脱碳，富磷层导致的失效，螺纹滑牙失效，延迟淬火、调质淬火不足导致的失效、回火不充分、淬火裂纹导致的失效，组织粗大、热处理冷却不足导致的失效以及疲劳失效等等。

今天，螺丝君就来讨论一下风电、核电机组的螺栓失效事故若干原因，根据对螺栓连接强度计算和预紧力设置的分析，预紧力不符合要求是造成螺栓断裂的最主要原因，此外螺栓防腐及润滑不良、安装工艺和设计缺陷、材料缺陷等也会导致螺栓断裂。

2、预紧力不符合要求

预紧力不符合要求是造成螺栓断裂的最重要原因。在对螺栓进行现场安装及后期的技术维护过程中，需要按照规定的力矩值进行操作，防止出现力矩过大或者力矩不足等问题。预紧力过大，可能造成螺栓拉伸应力超过螺栓材料屈服强度极限，而产生塑性变形，甚至断裂。预紧力过小，将增加螺栓疲劳载荷循环幅值，降低螺栓与连接件之间的摩擦力，使得螺栓连接副达不到设计要求的锁紧功能，在服役载荷作用下，螺栓连接件之间产生相对运动，使螺栓承受额外弯矩、拉伸和剪切等复杂的交变载荷，加剧螺栓的失效。螺栓松动也会增加螺栓的疲劳载荷，降低螺栓使用寿命。

预紧力不符合要求造成高强度螺栓断裂的主要表现有：

①安装高强度螺栓时未按要求进行“十”字交叉紧固，造成连接法兰面间存在间隙并导致螺栓应力幅值过大，最后导致螺栓断裂；

②高强度螺栓因预紧力过大产生缩颈，螺纹根部因应力集中产生裂纹，导致螺栓断裂；

③高强度螺栓预紧力不足造成螺栓松动，造成法兰面孔径与螺栓杆干涉。

例如某机组连接螺栓存在断裂问题，其中部分机组螺栓存在反复断裂现象。初期螺栓供应商通过更换加厚垫圈的形式减少螺栓断裂问题的出现。虽然垫圈加厚对螺栓断裂起到了一定的缓解作用，但未能彻底解决螺栓断裂问题。根据其断裂螺栓失效报告螺栓的化学成分分析，拉伸性能试验、冲击韧性试验、硬度试验和金相检验结果均符合GB/T3098.1-2010要求。

因此可以判断螺栓的设计与材料等方面满足现场工况需求，其断裂原因为运行中应力集中造成。为了有效解决螺栓断裂问题，螺栓供应商与需方改变设计，采用特质的受拉螺母结构以保证螺栓的预紧力要求并增强螺栓的强度从而确保机组的安全运行。

3、防腐及润滑不良

螺栓防腐及润滑不良会导致螺栓连接部位没有满足扭矩系数的要求，致使螺栓扭矩系数出现偏差，从而影响螺栓预紧力不足，最终造成螺栓开裂或断裂。高强度螺栓装配过程中，有效的润滑会填充接触点之间的空隙，减少金属与金属间的接触，预防磨损或卡死并起到装配顺畅的作用。

由于加工精度的关系，两个金属面之间及螺纹面之间不可能 100%接触；特别是螺纹表面，由于螺纹升角的存在，只有约 15%～ 20%接触。当对螺栓施加一个高载荷扭矩时，两个螺纹面之间的高点接触，发生弹性形变，直到可以承载扭矩所转化的压力。如果是没有润滑的表面，表面更容易发生擦伤。在特定的载荷或温度下，金属间就有可能咬合，致使在装配或拆卸过程中发生咬死。为了防止这种现象导致螺栓失效，需要将两个接触面隔开，并在安装过程中确保润滑和防腐有效。

当高强度螺栓生锈时会产生表层剥落，当更多的表面区发送锈蚀时，会加速金属物质、氧、水和二氧化碳消耗，最终将材料完全溶解。螺栓的锈蚀不仅会对材料本身产生影响，同时也会对高强度螺栓的摩擦型连接性能和扭矩系数造成影响，连接性能的退化会进一步导致高强度螺栓预紧力降低从而致使连接失效。

研究表明：

随着腐蚀程度的增加, 高强度螺栓连接试件的抗滑移系数在锈蚀率ηs＜4.5％的范围内，随着锈蚀率的增大而增大，且不同腐蚀时间下的试件滑动荷载也相应提高。高强度螺栓的防腐涂层可防止其表面产生锈蚀，因此在安装高强度螺栓时应根据当地温湿度特点及机组型号选择合适的防腐涂层材质并严重按照施工工艺涂抹防腐涂层。

4、安装工艺和设计缺陷

如机组塔筒与轮毂连接是现场拼接，安装工艺较难做到统一标准，当高强度螺栓安装时未按照作业指导书进行时，会造成螺栓杆与轴承孔壁贴合超差或螺栓松动，也会导致高强度螺栓断裂。这是由于机组旋转过程中造成异常受力和交变载荷，当螺栓长期处于该循环交变应力作用下时，螺母紧固面部位螺纹根部易发生裂纹，最终导致疲劳折断。

如某风电机组螺栓出现反复断裂的问题，制造厂更换螺栓后断裂问题仍未解决。经过对螺栓进行应力幅及载荷测试发现其螺栓所受载荷过大，进一步现场追溯发现机组在现场安装过程中发现螺栓与轴承孔壁存在错位干涉情况，其平面度超差情况，平面度超差会导致螺栓应力幅增大疲劳寿命降低，而错位干涉会导致螺栓承受额外的弯曲应力进而导致叶片螺栓断裂。

5、材料及制造缺陷

材料及制造缺陷主要表现为：螺栓机械性能不合格、螺栓机械加工质量不符合要求、热处理制度不合理、加工工序不合理、原材料存在化学成分偏析、表面脱碳等。特别是热处理设备或工艺选用不当，会导致淬火过程不可控和不稳定，影响螺栓的质量，造成产品个体间的不稳定，甚至在同一产品的不同部位组织不均匀。此时，即使螺栓性能指标满足要求，但产品还是存在潜在失效的可能。

对于材料缺陷导致的螺栓断裂需要进行失效分析。例如某风电高强度螺栓断裂形式为螺纹处断裂。经过金属扫描电镜分析发现样品断面源区处呈沿晶断裂，断面有细长裂纹，扩展区有较多韧窝，综合判断螺栓失效的主要原因氢脆。

通常，酸洗处理、电镀或驱氢不彻底等因素，氢脆成为螺栓失效的主要原因之一。氢脆发生时具有突发性且危害性较大，氢脆发生后不可逆。钢中氢质量分数一般达到就 5×10−6 就会产生氢致裂纹，而高强度螺栓即使氢质量分数低于 5×10−6，也会发生氢脆。即在应力作用下，处在点阵间隙中的氢原子扩散并集中于缺口处而产生的应力集中区，促使氢原子与位错的相互作用，使位错线被钉扎住，从而使基体韧性变低，脆性加剧，材料的断裂应力下降。由于在除油、电镀或酸洗过程中钢表面被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中。

因此，建议酸洗时缩短酸洗时间以免造成过酸洗，且在酸洗的过程中应加入缓蚀剂。在镀锌前进行去应力和镀锌后驱氢处理对螺栓表面进行防护处理。

6、螺丝君经验与总结

随着螺栓断裂现象出现频率增加，需要进一步规范故障分析流程并做好机组运维工作。当发生螺栓事故后应收集螺栓断裂情况信息，包括断裂位置、数量、断裂次数、螺栓断口形貌、螺杆磨损痕迹等；了解螺栓断裂前的检修工作是否有异常，包括是否按时进行检修、所用工具是否合格、检修时螺栓是否有松动的迹象；现场检查时注意螺栓的防松标记是否错位，机组是否存在异常振动、注意断裂螺栓位置法兰连接面是否存在异常情况，如渗油、夹杂和间隙等。

总之，紧固件整个生命周期中都可能存在失效的风险，紧固件的质量管理工作是从失效案例中借鉴经验，从紧固件设计、材料、装配和维护等环节查找潜在的导致其失效的因素，降低失效发生率，这对提高我国紧固件的制造和应用水平乃至机械装备的可靠性都有现实的意义。