淺談水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓斷裂后螺栓強(qiáng)度分析

劉杉

摘要：對(duì)水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓斷裂后的螺栓強(qiáng)度分析，能夠在一定程度上保護(hù)電站的安全運(yùn)行。本文簡(jiǎn)要的分析了水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓的設(shè)計(jì)要求，并且對(duì)螺栓的檢驗(yàn)方式進(jìn)行了分析，探究了一些斷裂原因，并且分析了在螺栓不同的斷裂數(shù)量和斷裂位置時(shí)，對(duì)剩余螺栓的強(qiáng)度產(chǎn)生的應(yīng)力影響，以螺栓斷裂數(shù)量在1根、2根、4根、8根以及螺栓在相鄰位置斷裂、90度角位置斷裂以及180度角位置斷裂等情況進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī);頂蓋緊固螺栓;斷裂;螺栓強(qiáng)度

一、水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓的設(shè)計(jì)要求

頂蓋緊固螺栓在工作時(shí)應(yīng)當(dāng)具備一定強(qiáng)度的預(yù)緊力，預(yù)緊力不僅可以避免頂蓋緊固螺栓在遇到較強(qiáng)工作載荷時(shí)發(fā)生位移，同時(shí)可以有效的提升了螺栓工件的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)螺栓連接之后，會(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力，當(dāng)螺栓受到工作載荷之后，它的預(yù)緊力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，螺栓受到的總拉力并不能按照預(yù)緊力與工作拉力之和計(jì)算，應(yīng)當(dāng)按照以殘余預(yù)緊力和工作拉力相加的結(jié)果為準(zhǔn)。也就是說(shuō)，預(yù)緊力的安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)為螺栓總載荷與螺栓的設(shè)計(jì)載荷相除的結(jié)果為準(zhǔn)。一般當(dāng)水輪機(jī)的頂蓋緊固螺栓發(fā)生斷裂是由于頂蓋螺栓超過(guò)了其疲勞強(qiáng)度，在發(fā)生斷裂前就已經(jīng)產(chǎn)生了較為明顯的疲勞裂紋。因此，頂蓋緊固螺栓必須要預(yù)緊，使螺栓具有一定數(shù)值的殘余預(yù)緊力，螺栓的預(yù)緊力越高，那么螺栓的使用效果越好。預(yù)緊力的提升會(huì)使螺栓的總載荷數(shù)值升高，增加螺栓的直徑會(huì)讓螺栓的總應(yīng)力減小，因此，在水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓數(shù)目一定的情況下，增加螺栓的直徑，可以讓螺栓疲勞幾圈安全系數(shù)升高，也會(huì)讓螺栓的疲勞強(qiáng)度安全數(shù)值提升。

二、水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓的檢驗(yàn)分析

一般來(lái)說(shuō)，在頂蓋緊固螺栓發(fā)生斷裂前，其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)該已經(jīng)產(chǎn)生了不同程度的疲勞裂紋，當(dāng)出現(xiàn)疲勞裂紋之后，緊固螺栓所受到的力大部分都會(huì)集中到裂紋處，當(dāng)螺栓再受到外來(lái)的載荷應(yīng)力時(shí)會(huì)使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展延伸，最終導(dǎo)致了螺栓斷裂。同時(shí)，在符合螺栓預(yù)緊情況下時(shí)，螺栓的直徑過(guò)小，會(huì)造成螺栓實(shí)際受到的疲勞強(qiáng)度值大于設(shè)計(jì)安全數(shù)值，這樣會(huì)使螺栓的疲勞強(qiáng)度降低，也會(huì)使螺栓內(nèi)部產(chǎn)生了疲勞裂紋，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

1、宏觀檢驗(yàn)

在螺栓發(fā)生斷裂時(shí)，應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行初步的宏觀檢驗(yàn)，對(duì)螺栓的表面完整度、光滑程度進(jìn)行初步檢查，發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯的外傷缺陷，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)毛刺、銹蝕點(diǎn)的出現(xiàn)。當(dāng)螺栓發(fā)生斷裂時(shí)，會(huì)在螺栓斷裂處產(chǎn)生三個(gè)區(qū)域，疲勞源區(qū)、疲勞延伸區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三個(gè)部分。例如對(duì)某一個(gè)斷裂螺栓進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)該螺栓斷裂面中心部分有明顯的放射性條紋區(qū)域，并且條紋向螺栓外表面進(jìn)行延伸，逆向指向裂紋產(chǎn)生區(qū)域，疲勞延伸區(qū)的面積較大，瞬時(shí)斷裂區(qū)的面積較小，判斷該斷裂螺栓分成疲勞延伸區(qū)以及瞬間斷裂區(qū)兩個(gè)區(qū)域。

2、化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺栓結(jié)構(gòu)中的化學(xué)成分中的碳元素、硅元素、錳元素、硫元素以及磷元素等化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)值符合合金結(jié)構(gòu)鋼對(duì)各個(gè)元素含量的要求，判斷螺栓的斷裂并不是由于化學(xué)成分不合格導(dǎo)致的。

3、金相檢驗(yàn)

在螺栓的斷裂面處，以螺栓的縱向面取金相檢驗(yàn)的試樣，通過(guò)對(duì)試樣處理之后發(fā)現(xiàn)螺栓在顯微鏡下以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在，同時(shí)塊狀鐵素體、珠光體具有較為明顯的魏氏組織。當(dāng)對(duì)未發(fā)生斷裂的螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部也存在較為明顯的魏氏組織，二者均與其調(diào)質(zhì)狀態(tài)不符合。

4、硬度測(cè)試

對(duì)頂蓋緊固螺栓未發(fā)生斷裂的螺栓進(jìn)行硬度測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)一部分螺栓的齒根芯部的縱向維氏硬度符合金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，則可以判斷螺栓發(fā)生斷裂并不是由于其硬度不足導(dǎo)致的。

三、水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓斷裂后的原因分析及螺栓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

1、螺栓斷裂原因分析

在對(duì)某一水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在螺栓未發(fā)生斷裂處的金屬材料化學(xué)成分、力學(xué)性能等條件均符合相應(yīng)的要求，同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)具有異常斷裂組織，判斷該部分螺栓的制造材料是符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓一般選擇使用35鋼，這類合金鋼都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的熱處理，一般需要在840到860攝氏度的環(huán)境下進(jìn)行淬火熱處理，同時(shí)需要用460到520攝氏度的溫度進(jìn)行回火處理，從而提升螺栓的硬度。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)螺栓在經(jīng)過(guò)熱處理后的硬度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度嚴(yán)重不足，排除材料質(zhì)量問(wèn)題，分析是由于在進(jìn)行淬火和回火過(guò)程中淬火溫度不足、回火溫度過(guò)高、淬火冷卻速度偏低以及淬火組織中具有較為明顯的非馬氏體等一系列原因?qū)е碌?。由此可以分析，頂蓋緊固螺栓發(fā)生斷裂是由于對(duì)其進(jìn)行熱處理時(shí)操作不過(guò)關(guān)導(dǎo)致的，導(dǎo)致螺栓受到的載荷應(yīng)力過(guò)高，最終發(fā)生了脆性斷裂。

2、螺栓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)全部螺栓在正常工作環(huán)境下的螺栓強(qiáng)度進(jìn)行分析。一般情況下，當(dāng)螺栓在工作情況下，會(huì)受到來(lái)自工作載荷以及剩余預(yù)緊力兩個(gè)方面的拉應(yīng)力，并且這兩種應(yīng)力存在相互疊加的工作方式，當(dāng)螺栓的工作載荷不斷提升時(shí)，螺栓的預(yù)緊力持續(xù)減小，在頂蓋與座環(huán)之間的夾緊力越來(lái)越小，螺栓的抗橫向拉應(yīng)力的能力不足，持續(xù)工作或應(yīng)力變大時(shí)，會(huì)使金屬螺栓超過(guò)其材料結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，最終導(dǎo)致了螺栓被破壞。螺栓的使用材料為42CrMo，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)，在螺栓內(nèi)部的最大等效應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度數(shù)值的80%，則該螺栓的強(qiáng)度符合使用要求。水輪機(jī)頂蓋的受力能夠均攤到每個(gè)頂蓋禁錮螺栓上，螺栓在承受工作載荷及預(yù)緊力后，其應(yīng)力最大值在螺栓中間截面附近。

當(dāng)部分頂蓋緊固螺栓發(fā)生斷裂后剩余螺栓強(qiáng)度的分析。在螺栓工作過(guò)程中，由于在螺栓安裝過(guò)程中忽略了預(yù)緊力等因素，同時(shí)其工作環(huán)境受力環(huán)境較為復(fù)雜，導(dǎo)致某些螺栓會(huì)發(fā)生移動(dòng)或者斷裂的情況發(fā)生。當(dāng)螺栓發(fā)生斷裂后，水輪機(jī)頂蓋的剩余螺栓會(huì)面臨受力不均的情況發(fā)生，將一些斷裂螺栓應(yīng)當(dāng)受到的拉應(yīng)力施加到剩余螺栓上，這就讓剩余螺栓的最大應(yīng)力值出現(xiàn)了改變。斷裂螺栓位置不同，剩余螺栓的螺栓強(qiáng)度也是不同的，本文分別選擇了1根螺栓斷裂、2根螺栓斷裂、4根螺栓斷裂以及8根螺栓斷裂幾種較為常見(jiàn)的斷裂布局形式，計(jì)算出斷裂后剩余螺栓的強(qiáng)度，如圖1所示。

結(jié)語(yǔ)：根據(jù)實(shí)際的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)了螺栓斷裂后，會(huì)改變頂蓋緊固螺栓剩余螺栓的應(yīng)力分布，同時(shí)根據(jù)不同斷裂位置的情況，剩余螺栓的最大應(yīng)力值也是不同的。因此，水輪機(jī)的維護(hù)檢修人員需要及時(shí)對(duì)頂蓋緊固螺栓的使用情況進(jìn)行檢查，排除有位移或裂紋的情況發(fā)生，對(duì)有斷裂隱患的螺栓及時(shí)進(jìn)行更換，確保設(shè)備的正常使用。工作人員應(yīng)當(dāng)對(duì)螺栓在不同斷裂數(shù)量或者不同斷裂位置的情況進(jìn)行分析，確保電站水輪機(jī)的正常運(yùn)行。

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（作者單位：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)雙柏開(kāi)發(fā)有限公司大灣水電站）