广州轨道交通建设监理有限公司广东广州510010
摘要：广佛线二期工程车辆在2016年2月份出现制动机螺栓断裂情况，在对螺栓断裂原因进行检测分析的过程中，咨询监造项目部整理了相关标准资料，并对后续新螺栓检测项点提供了建议。在螺栓检测、更换过程中，咨询监造项目部积累经验希望能在日后的车辆设计、生产、调试过程中有效把控关键部件螺栓质量问题。
关键词螺栓断裂地铁车辆螺栓检测螺栓质量关键部件螺栓制动机螺栓
1、背景
广佛线二期工程共采购6列4节编组B型车。建设单位：佛山市轨道交通发展有限公司（以下简称“业主单位”）；运营单位：广州地铁集团有限公司运营事业总部运营四中心（以下简称“运营单位”）；咨询监造单位：广州轨道交通建设监理有限公司（以下简称“咨询监造单位”）；车辆集成商：中车青岛四方机车车辆股份有限公司（以下简称“中车青岛四方”）；制动系统供应商：克诺尔车辆设备（苏州）有限公司（以下简称“克诺尔”）。
2016年2月25日，在对处于调试阶段的广佛线二期车辆GF059060车车底进行整改作业时，作业人员发现GFA060车二轴左侧单元制动机螺栓孔缺少固定螺栓。往孔内进一步检查发现该螺栓已断裂，螺栓的一节残留在制动机内，另一节断裂的螺栓和垫片分别在车辆段运用库地沟发现，断裂螺栓距离安装位置约4米，垫片距离安装位置约2米。断裂的制动机螺栓尺寸为M20X250，等级12.9，紧固力矩为535Nm，残留在制动机螺栓长度为50mm。
图1制动机螺栓孔缺少固定螺栓
图2掉落的螺栓与垫片
2、问题解决
2.1检测分析断裂螺栓
螺栓断裂后，中车青岛四方委托中国科学院金属研究所对螺栓断裂原因进行了分析，并出具了《克诺尔12.9级高强度螺栓断裂原因分析》报告。具体检测项点包括：宏观检查（外观检查、断口观察、齿形截面检查）、化学成分检验、金相观察（齿尖裂纹、螺纹根部裂纹、钢中夹杂物、钢中白色条状相、基体金相组织）、断口观察（低倍扫描电镜像、高倍扫描电镜像）、硬度测量与同批次未断裂螺栓的检查。
通过中科院金属研究所的检查与分析，断裂螺栓主要存在以下问题：
（1）克诺尔该批次12.9级螺栓普遍存在螺扣齿尖裂纹，对高强度螺栓的安全性和可靠性有重大的潜在威胁；
（2）螺纹齿根截面呈直线梯形，齿根底边与螺纹表面呈折线型过渡，尖锐的齿根设计不适用于高强度螺栓，可导致齿根位置产生很高的应力集中而萌生齿根裂纹；
（3）螺栓齿根普遍存在细小的表面裂纹；
（4）在螺栓金相磨片上观察到一些大型条状夹杂物，含有硫化物、氧化物，相当于材料内部天然的微裂纹，对高强钢的塑韧性造成很大的危害；
（5）金相检查中发现一种白色条状相，为一种非马氏体组织，其主要成分（除碳）与基体相当。说明内部组织存在较大的不均匀性；
（6）其他问题包括（不限于）：化学分析中检测到有残余的Sn和As，两者均为引起材料脆化（冷脆）的有害杂质元素；金相组织中存在带状偏析，这种不均匀性反映该螺栓的淬火前处理工艺控制不当；基本组织中马氏体特征明显，螺栓的硬度偏上限，提示该螺栓回火温度可能偏低（要求大于425℃）；以及螺栓内部的硬度值相差较大（达3.8HRC）等。
这些问题均可降低高强钢的塑韧性、增加钢的脆性，从而促进裂纹的萌生与扩展。
2.2解决措施
经中科院金属研究所对断裂螺栓的检测与分析，判定产生螺栓断裂的主要原因是螺栓上遍布齿根裂纹和齿尖裂纹，而这些裂纹主要产生于螺栓的制造环节。根据各项检测结果，可以质疑该螺栓生产商的技术能力。咨询监造单位与运营单位建议业主单位要求中车青岛四方与克诺尔更换广佛线二期车辆制动机螺栓厂家，并提供通过第三方检测的新螺栓。
经对螺栓工艺标准与规范的研究，建议将新的螺栓送到具有CMA（中国计量认证）及CNAS（中国合格评定国家认可委员会）认证资质的第三方检测机构进行检测，并对检测项点提出以下几点建议：
表1关键部件螺栓检测项点建议
性能检测项目检测标准表面缺陷表面缺陷检查（淬火裂缝、锻造裂缝、锻造、剪切爆裂、原材料的裂纹和条痕、凹痕、皱纹、切痕、螺纹上的折叠、损伤，检查时放大倍数不小于50）《紧固件表面缺陷螺栓、螺钉和螺柱特殊要求》GF/T5779,3:2000化学成分化学成分检查依据螺栓材质以及ISO898-1:2013金相组织金相组织依据厂家提供的金相组织成分硬度硬度试验（HV0.3,HRC）《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》ISO898-1:2013公称保证应力保证载荷试验断后伸长率，断面收缩率，拉伸强度（Rm），规定的塑性延伸强度（Rp0.2）拉力试验最大脱碳层脱碳试验最高的表面硬度增碳试验抗拉强度、头部坚固性楔负载试验涂镀层厚度涂镀层检查根据紧固件镀层方式选择对应的国内或国际标准
在克诺尔提供新螺栓厂家资质证明、新螺栓安装工艺文件，并待新螺栓第三方检测结果合格后，中车青岛四方组织克诺尔提供广佛线二期6列车全部新螺栓备件进行了更换。
3、对地铁车辆咨询监造过程的启发
在以往的地铁车辆咨询监造过程中，着重对车辆集成商进行监督把控，对分包产品主要体现在对厂家资质证明及产品合格证的审核，缺乏抽检机制。此次广佛线二期车辆制动机螺栓断裂问题对我们日后的咨询监造过程敲起了一记警钟。
为防止类似的问题再度发生，建议对高强度螺栓应严格根据ISO898的有关规定进行抽检。必须检查制造商的相关资质，并考察其质量控制过程，根据对应螺栓所要求的技术指标，检查或验收采购螺栓，特别是螺纹齿根和齿尖不连续性必须有明确的标准（如一旦发现裂纹，则全部判废）。同时作为一项紧急措施，应对已采购或安装使用的产品重新抽检，特别是按照ISO898第6条表4的要求，检查螺栓的最低抗拉载荷（对M20的12.9级螺栓要求不低于29900N）；以及根据ISO898第6条表3的要求，检查延伸率（大于8%）和断面收缩率（大于44%）。根据现有的结果，特别是普遍发现齿尖裂纹和齿根裂纹，建议立即回收该制造商所有产品，以防止因不合格螺栓突然断裂而引发的重大事故。
参考文献
[1]ISO898-1:2013《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》
[2]ISO6157-3:1988《紧固件.表面缺陷第3部分：螺栓，螺钉和螺柱特殊要求》
[3]GB50157-2013《地铁设计规范》
[4]GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》