貫流式水輪機(jī)聯(lián)軸螺栓斷裂失效分析

黃橋生，周 樂，龍 毅，楊湘?zhèn)ィ采曛埽f克洋

（1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南 長沙 410007；2.凌津?yàn)┧姀S，湖南 常德 415700）

1 概 況

某水電站8號機(jī)組為30 MW貫流式燈泡水輪機(jī)組，由日本日立公司設(shè)計(jì)，國內(nèi)生產(chǎn)制造。2000年12月投產(chǎn)發(fā)電，至今已累計(jì)運(yùn)行4萬多h。2011年12月7日，設(shè)備巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)主軸密封支架內(nèi)聲響異常，停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)大軸與轉(zhuǎn)輪連接螺栓其中一顆螺栓頭部與螺桿斷裂。

該電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭Hp=8.5 m，水輪機(jī)額定出力Pn=30.93 MPa，正向推力負(fù)荷P=4400 kN。轉(zhuǎn)輪體重量G3=780 kg。螺栓數(shù)量Z=12個(gè)，材質(zhì)為S35C，規(guī)格為 M100×345×6 mm，螺釘最弱斷面積A=6478.75 mm2，預(yù)緊伸長量△L=0.3 mm。

2 斷裂原因分析

2.1 應(yīng)力分析與計(jì)算

發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪和水輪機(jī)主軸聯(lián)接法蘭上有18個(gè)孔，均分為6組，每組中包括兩個(gè)螺栓孔和一個(gè)銷釘孔。銷釘傳遞所有扭矩和承受所有剪力[1],螺栓承受軸向拉壓應(yīng)力。螺栓分布如圖1所示。聯(lián)軸螺栓幾何尺寸如圖2所示。機(jī)組所受穩(wěn)態(tài)載荷中對聯(lián)軸螺栓受力起作用的有軸向水推力、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪重力及螺栓的預(yù)緊力。

圖1 螺栓分布示意

根據(jù)受力情況，螺栓的應(yīng)力計(jì)算如下:

圖2 螺栓結(jié)構(gòu)示圖

（1）按每只螺栓均等承受軸向水推力考慮，在最大正向水推力作用下，每只螺栓的應(yīng)力為σp=P/ZA=56.6 MPa。

（2）σb為螺栓受轉(zhuǎn)輪體重力作用下的抗拉強(qiáng)度。由于引起軸彎曲，從而在水輪機(jī)軸與轉(zhuǎn)體聯(lián)法蘭面產(chǎn)生彎矩M=G3×L=574 kN·m。聯(lián)軸螺栓轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí)，σb=8.6 MPa。

（3）設(shè)計(jì)要求螺栓緊固完成后伸長量△L=0.30 mm，根據(jù)金屬材料手冊，彈性模量E=2.12×105 MPa，螺栓預(yù)應(yīng)力 σ0=E×（△L/L）=184.3 MPa。 若伸長量△L=0.40，最大預(yù)應(yīng)力σ0=245.8 MPa。

（4）螺栓總應(yīng)力 σ=σ0+Kc（σb+σp）， 其中 Kc系數(shù)的大小與螺栓和披聯(lián)接件的材料，聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸及工作載荷作用的位置有關(guān)，其值在0～1之間，當(dāng)Cf＞Cl時(shí) (如被聯(lián)接件的剛度大，采用的剛性薄墊片或采用紹l長螺栓等)，Kc趨于0；反之，Kc趨于1。此處按中間無墊片的鋼板聯(lián)接型式查得Kc=0.2～0.3，取Kc=0.3。當(dāng)伸長量為0.3 mm時(shí)，螺栓的最大應(yīng)力

當(dāng)伸長量為0.4 mm時(shí)，螺栓的最大應(yīng)力

螺栓為S35C，根據(jù)JIS G4051—1979《機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳素鋼》推薦值，屈服強(qiáng)度取σs=392 MPa，則:n=σs/σ=1.67。根據(jù)受 （軸向加橫向）變載荷的螺紋聯(lián)接在控制預(yù)緊力的條件下應(yīng)選用安全系數(shù)為1.2～1.5，上述核算結(jié)果證明在不考慮水輪機(jī)壓力脈動(dòng)載荷下，聯(lián)軸螺栓的設(shè)計(jì)符合要求。

2.2 斷口檢查及斷裂過程分析

現(xiàn)場對斷裂螺栓進(jìn)行檢查分析，斷裂螺栓頭部及螺桿現(xiàn)場形貌如圖3、4、5所示，從圖可知，螺栓斷裂位置為螺栓頭根部過渡區(qū)，過渡區(qū)表面粗糙，螺栓表面布滿橙黃色銹蝕物，斷口有泥和鐵銹，且斷口陳舊，可推斷螺栓開裂應(yīng)有一段時(shí)間。由圖5可知，螺栓頭部A區(qū)銹蝕明顯，頭部支承面外弧圈有長159 mm，最寬7.8 mm的平整金屬光澤區(qū)；B區(qū)銹蝕程度較輕，螺帽有擠壓摩擦痕跡，斷裂區(qū)凹陷深度較深。由此可以推斷，A區(qū)為斷裂起源區(qū)，由A區(qū)向B區(qū)逐漸擴(kuò)展，并最終在B區(qū)瞬斷，因終斷區(qū)面積較小，說明螺栓不是超載斷裂。

圖3 螺栓斷裂位置

圖4 螺栓頭部宏觀形貌

圖5 螺桿宏觀形貌

圖6 擦拭后螺栓頭部斷面宏觀形貌

2.3 試驗(yàn)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，S35C螺栓性能應(yīng)符合JISG 4051—1979要求。取斷裂螺栓試樣1，同期服役拆卸下無缺陷螺栓試樣2分別進(jìn)行金相、硬度、室溫力學(xué)性能等試驗(yàn)。

2.3.1 化學(xué)成分試驗(yàn)

試樣1、試樣2分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。其化學(xué)成分見表1。

由表1可知，試樣的化學(xué)成分基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析%

2.3.2 室溫力學(xué)性能

在試樣1、試樣2半徑的R/2處取樣進(jìn)行室溫力學(xué)試驗(yàn)。其室溫力學(xué)性能結(jié)果見表2。

表2 螺栓力學(xué)性能

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，試樣1、試樣2屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.3 金相試驗(yàn)

對試樣1及試樣2進(jìn)行金相取樣分析，如圖7～12所示。圖7、8所示為試樣1橫向截面心部金相組織，組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體；圖9、10所示為試樣1橫向截面邊部金相組織，組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體。圖11所示為試樣2橫向截面心部金相組織，組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，圖12所示為試樣2橫向截面邊部金相組織，組織為回火索氏體+少量鐵素體。

圖7 試樣1心部橫截面金相組織 200×

2.3.4 掃描電鏡試驗(yàn)

對螺栓斷口取樣進(jìn)行電鏡分析，分析結(jié)果如圖13～16所示。圖13、14為人工加工斷面掃描電鏡及其夾雜能譜圖；圖15、16為原始斷面瞬斷區(qū)掃描電鏡及其孔內(nèi)夾雜能譜圖，從圖可知，螺栓材質(zhì)中含有少量Mn、S等夾雜物，斷面上有顯微孔洞。

2.4 原因分析

螺栓斷裂位置為螺栓頭根部過渡區(qū)，該位置為螺栓的應(yīng)力集中區(qū)。斷裂螺栓斷口平整，無明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征。

圖8 試樣1心部橫截面金相組織 500×

圖9 試樣1邊部橫截面金相組織 200×

圖10 試樣1邊部橫截面金相組織 500×

圖11 試樣2心部橫截面金相組織500×

圖12 試樣2邊部橫截面金相組織 500×

圖13 人工斷口掃描形貌

圖14 夾雜能譜

圖15 原始斷口掃描形貌

圖16 夾雜能譜

螺栓應(yīng)力復(fù)核，安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，但實(shí)例計(jì)算證實(shí)，如果安裝不符合圖紙要求，螺栓伸長量有一定變化，螺栓承受最大應(yīng)力變化較大。

斷裂螺栓邊部和心部金相顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體。網(wǎng)狀鐵素體的存在，破壞了組織的連續(xù)性，致使基體強(qiáng)度明顯降低[2]。

螺栓室溫機(jī)械性能中沖擊功不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，說明螺栓韌性降低，不符合性能要求。

從斷裂螺栓掃描電鏡分析可知，電子探針試驗(yàn)處有Mn、S夾雜物。螺栓承受的載荷達(dá)到一定程度，夾雜物裂開或夾雜物與金屬界面發(fā)生分離，在周圍逐漸形成顯微孔洞，這些孔洞隨形變過程不斷長大、連接，最后形成較大的裂紋，最終導(dǎo)致斷裂[3]。

3 總結(jié)

綜上所述，網(wǎng)狀鐵素體的存在，破壞了組織的連續(xù)性，致使基體強(qiáng)度明顯降低，螺栓服役時(shí)，Mn、S夾雜物造成基體局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋源是裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在因素。螺栓頭根部過渡區(qū)是螺栓的應(yīng)力集中區(qū)，若安裝不符合要求，螺栓承受較大的應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的外在因素。螺栓長期運(yùn)行中，在內(nèi)外因雙重作用下，最終斷裂。

4 建議

（1）對該批次螺栓全部更換，對其他機(jī)組重要螺栓進(jìn)行全面檢查。

（2）新更換的螺栓，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的檢查，注意檢查其加工精度以及螺栓的的各部位表面是否有裂紋、凹痕、表面粗糙度差等表面缺陷，其化學(xué)成分、硬度、力學(xué)性能等技術(shù)指標(biāo)合格后方能裝配使用。

（3）安裝時(shí)，應(yīng)注意控制螺栓伸長量，伸長量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］陳松堅(jiān).10 MW燈泡式水輪機(jī)聯(lián)軸螺栓斷裂原因分析［J］.大電機(jī)技術(shù)， 1997， 6（8）:58-65.

［2］周海波，朱曉勇，鄭玉春，等.45鋼螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理， 2009， 34（12）:107-109.

［3］趙楠，穆海玲，周麗萍，等.35CrMoA鋼連桿螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理， 2008， 33（9）:112-114.