桥式紧固件氢脆的故障分析

通过Rob Francis.|最后更新日期：2018年10月31日

关键的外卖

当在较大载荷下使用高强度紧固件时，氢脆是一种真正的可能性，应采取所有措施将风险降至最低。

来源:Trekandshoot / Dreamstime.com

桥梁的问题和美国的类似基础设施在很大程度上涉及退化由于晚年。然而，由于施工期间昂贵和高调的故障，一座新桥一直是讨论的主题。加利福尼亚州的一些临界锚杆杆在加利福尼亚州的65亿美元更换旧金山 - 奥克兰湾大桥，建于持续150年，于2013年3月遭到突破。因此，加州运输署（Caltrans）必须安装钢鞍座改造，以2500万美元的成本提供所需的强度。此外，该部门遭遇了糟糕的媒体，并在调查和战略上花费了重大金额，以防止进一步失败。

该故障提供了一个很好的案例研究，展示了现代钢和混凝土结构中可能出现的一些技术问题和问题。事实上，失败是公开的，大部分文件都可以在互联网上免费获得，这使得人们很容易发现问题并跟踪各方的讨论和论点。然而，应当指出，调查正在进行中，新的调查结果可能会改变一些结论和建议。

旧金山 - 奥克兰湾大桥和早期故障的建设

桥梁在桥面和支撑墩之间使用剪力键，以减少地震对桥梁的破坏。大钢筋把这些石块固定在桥墩上。2013年3月，工人们将这些金属棒拉紧后不久，其中一些断裂成两截。由于路面已经安装在剪切键的上方，而金属杆已经断了，所以无法拆除。

锚杆直径为75 mm，长度约为3或5.5米（9.8或18英尺），两端都有螺纹。它们是2008年从4140低档生产的合金钢满足ASTM A354等级BD的要求热镀锌(HDG)用于腐蚀保护。它们安装在锚孔中，但由于项目的延迟而离开。他们终于张贴了五年后的75％极限抗拉强度在接下来的两周内，96根杆中有32根（3米杆中有5根，5.5米杆中有27根）断裂。为了防止进一步的故障，未断裂杆上的张力降低，此后没有一根断裂。

A.冶金调查立即进行了结论，失败是由于氢脆，尽管未确定氢的来源(在中了解此故障类型氢脆性介绍)。2014年9月的一项后续调查报告发现，由于灌浆和拉紧之前的延迟，燃料棒处于水里，进入了环绕燃料棒的管套组件，氢气是由环境引起的。锌的腐蚀产生了氢，造成了脆性。

下面的讨论着眼于导致故障的杆材料、镀锌、灌浆和其他因素，并提出一些建议，以最大限度地降低未来发生此类故障的风险。

棒材

制造了高强度钢筋，热处理并于2008年交付。规范要求，以及质量控制进行测试和测试故障分析表1中给出了杆上的尺寸，这表明材料很容易超过这些要求，尽管一些样品的伸长率达到或略低于这些要求延展性要求。

表1.锚杆杆的标准要求，QC检查和故障检查。

ASTM A354 BD级要求在中半径处读取硬度读数，而钢表面（或正下方）的硬度对于氢脆的发展至关重要。热处理厂的QC报告显示，许多棒表面有裂纹硬度的罗克韦尔C 39.（硬度测试在附录中讨论。）测量材料硬度的5种方法）考虑到该参数与氢脆的关系，应对此进行进一步研究。

氢脆失效的可能性取决于三个因素的组合:易受影响的材料，氢的来源和拉应力（施用或剩余）。给出负载并且是易感材料的高强度钢是必需的。Caltrans不允许酸洗在镀锌之前（见下文），如果不是阴极腐蚀反应造成的氢脆，则应意识到内部氢脆的风险。

随着钢强度的增加，脆化风险增加。许多来源和标准提供了避免氢脆的最大强度或硬度限值，引用的典型硬度为洛氏C 35，但是，一些来源的数据低至洛氏C 31。没有明确的数据，因为脆化的可能性取决于氢含量以及敏感钢的强度，因此暴露于高水平氢的钢将比暴露于低水平氢的钢具有更低的强度或硬度限值。ASTM A354给出的最大洛氏C硬度为39，对于存在氢脆风险的大多数来源（如HDG产品），认为该硬度过高。应采用更保守的钢硬度上限。这不会造成问题，因为稍高的回火温度会降低硬度和氢脆风险，同时仍满足最低强度要求。作为一个额外的好处，它会使延伸率降低，并改善冲击性能，尽管这些与氢脆没有直接关系。

图1和2。桥架高强度紧固件。

热浸镀锌

由于已知的氢气脆化风险，热浸镀锌具有高强度钢存在问题。它是酸洗阶段而不是引入氢的镀锌。ASTM A354不禁止HDG以进行BD等级，但确实如此，“在类似材料和制造的螺栓上进行的研究表明氢气应力开裂或应力腐蚀开裂可能发生在热浸镀锌级BD螺栓上。“但是，具有类似强度的标准紧固件如ASTM A490，以及专有的后张拉钢筋“Macalloy 1030”，禁止HDG（无论是否酸洗）。其他标准或指南规定了限制，例如HDG仅允许抗拉强度低于1100 MPa或洛氏C硬度低于33。

Caltrans意识到HDG的氢脆问题，并特别要求更换焊条磨损而不是腌制。然而，这只能避免制造过程中的氢气进入问题（有时称为内部氢脆或IHE）。锌涂层在使用过程中，当暴露在腐蚀性环境(环境氢脆或EHE)下时，产品会产生氢，而实际上，腐蚀环境更容易导致氢脆，就像这里的情况一样。

考虑到镀锌的潜在问题和实际问题，应尽可能避免在此类环境中对高强度紧固件采用任何方法涂覆锌金属涂层。镀锌旨在防止盐、氧和水的腐蚀，这些腐蚀可能会渗透到裸露表面，尽管风险很低。然而，由于锌与水的反应，存在氢气和导致脆化的风险浸出碱胶凝材料封装钢筋，特别是考虑到计划的150年寿命。这一风险将远大于因腐蚀而造成截面损失的风险。无涂层钢在真空中钝化碱性水泥基环境具有非常低的温度腐蚀速率．此外，有机涂层和其他涂层在胶凝环境中不会产生氢。

杆的灌浆

当锚杆安装在锚孔中时，锚杆的问题更加复杂。雨水和清洗活动的水进入锚孔，并在底部螺母和螺纹周围聚集。对这种水进行了分析，发现其pH值为13。显然，水与水泥反应产生了高碱性溶液。这种条件导致锌的快速腐蚀，形成氢气阴极反应．一旦锌腐蚀到钢基板或任何未涂层区域，钢就会受到保护，但用作氢气形成的阴极，导致脆化。此外，杆断裂后的研究表明，在许多孔中缺失或不完整灌浆。这灌浆是防腐系统的重要组成部分。如果水可以在灌浆管道中积累，那么一般腐蚀和氢损害都是可能的。适当的质量控制和检查以确保这一关键阶段的实施是绝对必要的。

质量保证，质量控制和记录

分析本项目中出现的各种问题的能力部分归功于记录以及Caltrans的合规性和可追溯性要求。Caltrans要求相关承包商自行进行检查或审计、质量控制和详细文件。然而，从上述问题来看，似乎遗漏了一些重要的检查阶段，质量控制和Caltrans检查员忽视了关键问题。这似乎是由于缺乏对所监测的各种进程的了解。如果实际的QC技术人员和检查员不了解流程和关键检验阶段，那么最好的QA系统是毫无意义的。

术语

调查突出了氢故障术语的问题。历史上，人们认为，在钢的制造和制造过程中，氢会导致脆性和失效，氢脆和氢致开裂等术语被保留用于此类失效。由腐蚀反应产生的氢气引起的类似失效被认为是由不同的失效机制引起的，并被认为是一种“应力腐蚀开裂”的形式。

随后的研究表明，这两种情况下的机制是相同的，即氢气脆性的存在高强度钢导致它的压力低于其设计以承受能力。现在，用于区分两种形式（如有必要）的普遍接受的术语是内部和环境氢气脆化（IHE和EHE）。术语应力腐蚀裂解应仅限于有源路径金属腐蚀在形成裂缝中的故障，例如某些情况失败不锈钢在氯高于环境温度的环境。在环境温度下，即使在这些强度水平下，应力腐蚀裂纹也罕见在结构和紧固钢中。然而，术语“压力腐蚀裂解”仍然用于EHE，甚至通过该领域的专家。这种混乱并不协助设计师，他们认为他们必须认为氢是在制造期间作为一个问题。