导读
作者：陶晓燕、刘晓光( 中国铁道科学研究院集团有限公司，北京100081)
来源：《钢结构》2018年10月
摘要：针对拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥，研发了耐候钢高强度螺栓。为避免其发生因氢脆导致的延迟断裂，开 展了气泡法和应力持久法对耐候钢高强度螺栓的氢脆敏感性进行试验分析。试验结果显示: 1) 耐候钢高强度螺栓 内的氢含量明显小于 35VB 高强度螺栓内的氢含量，氢脆敏感性显著低于 35VB 高强度螺栓。2) 在耐候高强度螺 栓的生产中采用去氢工艺能够明显降低其内部的氢含量，并有效地降低耐候钢高强度螺栓的氢脆敏感性。
随着近年耐候钢冶炼技术的进步，免涂装的耐候钢桥在我国发展迅速。2015 年已建成陕西眉县常兴二号桥、黄陵到延安新建高速公路跨线桥。2016 年建成辽宁省沈阳毛家店桥。目前国内已建成的免涂装耐候钢桥的连接都采用焊接方式。拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥( 主跨430 m 的中承式钢管混凝土拱) 首次采用了高强度螺栓连接的形式。由于美国的耐候钢高强度螺栓不能保证扭矩系数无法满足我国扭矩法施工的要求，日本的耐候钢高强度螺栓在合金成分上与我国耐候桥梁用钢不匹配，所以也无法通过单纯进口螺栓来解决，需要进行研发。中国铁道科学研究院集团有限公司牵头研发了耐候钢高强度螺栓，并运用于拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥，拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥是我国首次采用耐候高强度螺栓连接的耐候钢桥。
延迟断裂问题一直是高强度螺栓在使用中经常面临的重要问题。氢脆断裂是导致高强度螺栓延迟断裂的原因之一。氢致延迟断裂现象的产生是由于高强螺栓内部的氢向应力集中的部位扩散聚集，应力集中部位的金属缺陷多( 原子点阵错位、空穴等) ，氢扩散到这些缺陷处，氢原子变成氢分子，产生巨大的压力，这个压力与材料内部的残余应力及材料受的外力，组成一个合力，当合力超过材料的屈服强度，就会导致断裂发生。氢脆与氢原子的扩散有关，扩散的速度与浓度梯度、温度和材料种类有关，并且扩散需要一定的时间，因此氢脆通常表现为延迟断裂［1 － 2］。氢的来源很多，一部分来源于高强度螺栓原材料的自身，另一部分则来源于加工成型和表面处理过程的渗入。为避免在使用过程中出现氢脆引起的延迟断裂，对研制的耐候高强度螺栓开展了氢脆敏感性试验。
1 氢脆的测试方法
基于氢脆理论形成了诸多不同的氢脆检测方法，但适用于高强度螺栓的比较少见，国内也缺乏可参考的标准。常用氢脆检测方法根据检测过程及原理不同，可分为氢探测法和力学检测法［3 － 4］。
第1 类，氢探测法。用来发现钢中原子氢并测定其含量。氢探测法就是要通过控制产品或制造工艺过程中的氢含量以实现对氢脆风险的控制，包括物理检测法、电化学法，以及气泡法。气泡法是一种比较快速、简便的试验方法，在紧固件比较常用，不过此方法与其他氢探测法一样只能看出其中是否含氢，但其含氢量是否足以造成氢脆却无法判定。
第2 类，力学检测法。根据加载方式和检测过程不同，这些方法可分为5 类: 应力持久法、缺口拉伸试验、慢应变速率拉伸试验、弯曲试验和逐级加力试验。缺口拉伸试验、慢应变速率拉伸试验和弯曲试验主要是针对材料和工艺，应力持久法常用于螺栓加工过程中的氢脆敏感性检验，逐级加力试验是在应力持久法基础上发展而来的一种加速试验方法，试验过程相对复杂，对试验仪器要求也较高。
氢在材料内部的聚集程度取决于氢含量、氢脆敏感组织、应力集中、应变速率4 个因素交互作用，难于量化确定各个因素的门槛值，所以目前还没有准确界定是否发生氢脆的标准。本研究中采用了氢探测法和力学检测法两种方法对耐候高强度螺栓的氢脆敏感性进行试验分析，研究对比耐候钢高强度螺栓与普通35VB 高强度螺栓的氢脆敏感性，以及耐候钢高强度螺栓采用不同的生产工艺的氢脆敏感性。
2 耐候高强度螺栓的氢脆敏感性试验
1—耐候钢螺栓; 2—35VB 高强度螺栓
图1 气泡法( 耐候钢高强度螺栓与35VB 高强度螺栓对比)
2. 1 氢探测法
采用氢探测法中的气泡法对规格为M30 的35VB 高强度螺栓和耐候钢高强度螺栓进行对比试验，用200 号硅油加热至( 200 ± 10) ℃恒温，缓慢地将试样置入盛有硅油的容器中，结果见图1。可见:耐候钢高强度螺栓无明显连续的气泡产生，而采用35VB 高强度螺栓有大量连续的气泡产生，这说明耐候钢高强度螺栓内的氢含量明显低于35VB 高强度螺栓。
同样采用气泡法对在加工过程中增加去氢工艺和未增加去氢工艺的M30 耐候钢高强度螺栓进行对比试验，结果见图2。可见: 经过去氢工艺的耐候钢高强度螺栓无连续气泡产生，而未经过去氢工艺的耐候钢高强度螺栓还有少许气泡产生，这说明经过去氢工艺可以明显降低耐候钢高强度螺栓内的氢含量。研究确定拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥采用经过去氢工艺的耐候钢高强度螺栓。
1—经过去氢工艺的螺栓; 2—未经过去氢工艺的螺栓
图2 气泡法( 两种不同工艺对比)
2. 2 力学检测法
GB /T 3098. 17—2000《紧固件机械性能检查氢脆用预载荷试验平行支承面法》采用的是应力持久法进行力学检测［5］。应力持久法是基于氢脆的基本原理而开展的，即认为存在氢脆倾向的高强度钢及其制品在小于正常拉断力的持续作用下，会发生氢脆断裂。应力持久法的基本特征就是对试样施加持续一定时间的应力，它是氢脆检测的传统方法。
根据工程经验，螺栓氢脆断裂基本都发生在装配后的24 h 之内，螺栓氢脆检测的加载时间定为48 h则基本可以达到氢脆判定的目的。为此，采用GB /T 3098. 17—2000 对规格为M30的35VB 高强度螺栓、未去氢的耐候钢高强度螺栓和去氢后的耐候钢高强度螺栓在制作完毕的24 h内进行对比试验，具体试验情况见图3。将35VB 高强度螺栓、未去氢的耐候钢高强度螺栓和去氢后的耐候钢高强度螺栓分别放在试验夹具的上、中、下排上。采用使高强度螺栓的应力达到屈服点的预荷载( 扭矩为2 523 N·m) ，并且每隔24 h 对所有高强度螺栓再次施加扭矩。48 h 后进行检查，发现3 种高强度螺栓未出现任何目测可见的裂纹。可见这3 种高强度螺栓在室温条件下不会产生氢脆破坏。
试验继续进行，在约54 h 后，35VB 高强度螺栓中有1 个发现明显裂纹，将该螺栓卸下，在金相显微仪下对裂纹部位进行观测，观察裂纹部位的金相组织，如图4 所示，裂纹深度为1. 5 mm。
96 h 后1 个未采用去氢工艺的耐候钢高强度螺栓发现裂纹，将该螺栓卸下，在金相显微仪下对裂纹部位进行观测，观察裂纹部位的金相组织，如图5所示，裂纹深度为0. 7 mm。96 h 后将所有采用去氢工艺的耐候钢高强度螺栓卸下，目测检查未发现任何肉眼可见的裂纹，将这些螺栓进行磁粉探伤检查，也没有探出任何表面裂纹。
3 结论
1) 气泡法的试验结果显示，耐候钢高强度螺栓内的氢含量明显小于35VB 高强度螺栓内的氢含量，在耐候高强度螺栓的生产中采用去氢工艺能够明显降低其内部的氢含量。
2) 应力持久法的结果显示，3种高强度螺栓在施加预荷载48 h 后均未出现任何目测可见的裂纹，在室温条件下不会产生氢脆破坏。耐候钢高强度螺栓的氢脆敏感性要低于35VB 高强度螺栓，去氢工艺可以有效地降低耐候钢高强度螺栓的氢脆敏感性。
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