火電機組電動給水泵風扇螺栓斷裂分析

李日照，王 魯，陳志榮，陳卓婷，朱海寶

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

火電機組系統(tǒng)龐大，設(shè)備眾多，易發(fā)生運行異常及設(shè)備缺陷。及時消除設(shè)備缺陷或隱患是保護機組安全與經(jīng)濟運行的重要環(huán)節(jié)之一[1-6]。某火電機組停機過程中，啟動電動給水泵運行時，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。拆除電動給水泵水冷器檢查時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子冷卻風扇松脫，與轉(zhuǎn)子本體聯(lián)接的6組螺栓中5組斷裂。電動給水泵電機型號為YKS900-4 額定功率8 000 kW，額定電壓6 kV，轉(zhuǎn)速1 494 r/min，額定電流858 A?，F(xiàn)欲對該電動給水泵轉(zhuǎn)子風扇螺栓斷裂斷裂原因進行相關(guān)試驗研究與分析，并提出預(yù)防及改進措施，以防止此類情況再次發(fā)生。

1 試驗材料及方法

試驗材料為其中一根斷裂螺栓(電廠提供)，該電動給水泵轉(zhuǎn)子風扇固定螺栓的性能等級為A2-70(表示材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，組別為A2，抗拉強度≥700 MPa)，規(guī)格為M12×25，累計運行時間為100多小時。分析方法主要包括金相組織觀察，設(shè)備型號為徠卡DMI5000金相顯微鏡；維氏硬度檢測，設(shè)備型號為沃伯特402MVD顯微維氏硬度計；掃描電鏡分析，設(shè)備型號為TESCAN VEGA3 LM掃描電子顯微鏡等。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖1所示為某斷裂螺栓的宏觀形貌，可見螺栓發(fā)生了明顯彎曲變形，斷口表面較平整，且明顯有從圖片右側(cè)向圖片左側(cè)發(fā)散的痕跡，可推測螺栓的起裂源在圖1所示位置處。

圖1 某斷裂螺栓的宏觀形貌

2.2 微觀形貌

圖2所示為斷裂螺栓螺牙的縱剖面形貌，其中圖2(a)為正常螺牙，圖2(b)、 2(c)為變形螺牙，圖2(d)為發(fā)生剪切變形的螺牙，圖2(e)為根部組織被擠壓變形的螺牙?？梢姀澢冃翁幍穆菅酪驍D壓發(fā)生了嚴重變形、滑移以及折斷，表明該螺栓在斷裂前承受了較大的橫向剪切力，使得螺栓發(fā)生嚴重彎曲變形、開裂并最終被拉斷。

圖2 螺牙形貌

2.3 維氏硬度

對斷裂螺栓進行了維氏硬度檢驗，檢驗位置如圖3所示，檢驗結(jié)果見表1。可見，靠近斷口位置的維氏硬度值(檢驗位置2和3)明顯高于遠斷口位置(檢驗位置1和4)，且螺栓邊部的維氏硬度明顯高于心部。表明在螺栓受力變形過程中發(fā)生了明顯加工硬化，且變形越大，加工硬化程度越高。

圖3 維氏硬度檢驗位置示意圖

表1 維氏硬度檢驗結(jié)果

2.4 斷口SEM分析

對送檢螺栓的斷口進行了SEM分析，見圖4。由圖4(a)和4(b)可見，螺栓斷口緩慢擴展區(qū)有大量韌窩，具有明顯韌性斷裂特征；隨著向瞬斷區(qū)移動觀察，發(fā)現(xiàn)局部開始出現(xiàn)解理斷裂特征，表明該區(qū)域擴展加速，如圖4(c)和4(d)所示；最后瞬斷區(qū)的斷面韌窩相對較少，出現(xiàn)大面積平整、光滑的斷面，表明該區(qū)域大部分為解理斷裂，如圖4(e)和4(f)所示。因此，該螺栓的斷裂初始階段為韌性斷裂，之后隨著斷裂過程的進行，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>

2.5 螺栓斷裂原因分析

與轉(zhuǎn)子本體聯(lián)接6組螺栓中有5組斷裂，斷裂螺栓斷面宏觀形貌見圖5，其中5號為送檢螺栓，其他4根斷裂螺栓圖片由可門電廠提供。由圖5(a)可見，1號螺栓斷口有明顯疲勞特征[7-11]，說明該螺栓斷裂前承受了交變應(yīng)力作用并最終發(fā)生疲勞斷裂；而觀察圖5(a)—圖5(e)所示的其他幾根螺栓的斷口可見，除2號螺栓局部有疑似輕微疲勞痕跡外，3～5號螺栓均未發(fā)現(xiàn)明顯疲勞特征?？紤]該部件運轉(zhuǎn)時間并不長，累計運行時間為100多小時，因此推測斷裂原因應(yīng)是1號螺栓發(fā)生松動引起的。

圖4 斷口形貌SEM分析

圖5 斷裂螺栓的宏觀形貌

螺栓松動斷裂的情況和疲勞斷裂的情況大體相同[12-15]，螺紋緊固件在橫向振松實驗中只需100次即可松動。當1號螺栓松動后，風扇運轉(zhuǎn)過程中形成強大氣流，產(chǎn)生巨大的動能，這種巨大的動能直接作用于緊固件及設(shè)備，致使1號螺栓在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞損壞。而1號螺栓斷裂后，由于其他螺栓處于超負載狀態(tài)，故很快也被拉斷或剪斷。其中受軸向力作用的緊固件，螺紋被破壞，螺栓被拉斷；而受徑向力作用的緊固件，螺栓被剪斷，螺栓孔被打成橢圓。隨著其他緊固件接連損壞，最終導(dǎo)致了設(shè)備損壞。

3 結(jié) 語

此次螺栓斷裂導(dǎo)致設(shè)備損壞的主要原因是1號螺栓發(fā)生松動。螺紋緊固件松動后，風扇運轉(zhuǎn)過程中形成強大氣流，產(chǎn)生巨大的動能，這種巨大的動能直接作用于緊固件及設(shè)備，在交變應(yīng)力作用下致使該螺栓發(fā)生疲勞直至損壞變形，隨后導(dǎo)致其他緊固件接連損壞變形，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞。在螺栓損壞變形過程中會發(fā)生明顯加工硬化現(xiàn)象，且變形越大，加工硬化程度越高。

建議新采購設(shè)備的緊固件應(yīng)選用更高強度級別的材質(zhì)并采取一定的防松措施。螺栓防松動常用防松方法有3種：摩擦防松、機械防松和永久防松。常見摩擦防松方法：利用墊片、自鎖螺母及雙螺母等。常見的機械防松方法：利用開口銷、止動墊片及串鋼絲繩等。常用的永久防松方法：點焊、鉚接、粘合等，但這種方法在拆卸時大多要破壞螺紋緊固件，無法重復(fù)使用。