重水堆齒輪箱螺栓斷裂原因分析及預(yù)防措施

劉會(huì)彬

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦三廠70萬(wàn)機(jī)組是引進(jìn)加拿大的重水堆，其最大特點(diǎn)是不停堆換料，反應(yīng)堆端面上共有380個(gè)通道，裝卸料機(jī)是通過(guò)橋架系統(tǒng)帶動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)到達(dá)指定通道進(jìn)行裝換料操作。橋架系統(tǒng)支撐裝卸料機(jī)和滑車(chē)，提供裝卸料機(jī)垂直方向的運(yùn)動(dòng)，從而定位到要求的反應(yīng)堆通道上，橋架絲桿齒輪箱是其中重要的傳動(dòng)裝置。

2020年2月，在橋架絲桿齒輪箱預(yù)防性維修更換蝸輪時(shí)出現(xiàn)蝸輪固定螺栓斷裂，橋架絲桿齒輪箱的異常將直接導(dǎo)致橋架不可用，繼而影響正常換料甚至導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。為了避免螺栓斷裂現(xiàn)象再次發(fā)生，需要查找螺栓斷裂原因并制定相應(yīng)的解決方法。

1 橋架絲桿齒輪箱功能和工作原理

橋架系統(tǒng)由支撐在2臺(tái)升降機(jī)之間的橋架橫梁組件組成，升降機(jī)靠安裝在升降機(jī)上的4臺(tái)橋架絲桿齒輪箱沿立柱的固定絲桿垂直上下移動(dòng)。4臺(tái)橋架絲桿齒輪箱通過(guò)雙速異步電機(jī)的帶動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)橋架完成緩升、快升、緩降、快降4種模式。橋架絲桿齒輪箱蝸輪通過(guò)6個(gè)固定螺栓固定在滾珠螺母本體上，并通過(guò)2個(gè)定位銷(xiāo)進(jìn)行定位，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上下端有滾柱軸承保持圓周定位。

2 蝸輪固定螺栓斷裂原因分析

2.1 螺栓材料分析

為了排除螺栓材料本身問(wèn)題，對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行螺栓顯微組織檢驗(yàn)、非金屬夾雜物測(cè)定、力學(xué)性能測(cè)試。

2.1.1 顯微組織檢驗(yàn)

依照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，顯微組織為回火索氏體。觀察顯微組織照片，該螺栓組織均勻，沒(méi)有明顯粗大或異常的組織。

圖1 金相檢驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 非金屬夾雜物測(cè)定

依照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)螺栓進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)試，非金屬夾雜物測(cè)試結(jié)果如圖2所示。觀察非金屬夾雜物測(cè)試照片，其表面沒(méi)有顯著的夾雜物，對(duì)螺栓性能無(wú)影響。

圖2 非金屬夾雜物測(cè)試

2.1.3 拉伸試驗(yàn)

按GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對(duì)同批次完好的蝸輪固定螺栓進(jìn)行實(shí)物拉伸試驗(yàn)。蝸輪固定螺栓室溫拉伸性能和硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，螺栓拉伸試驗(yàn)加載曲線（力-應(yīng)變）如圖3所示，螺栓斷口形貌如圖4所示。

圖3 螺栓拉伸試驗(yàn)—力與位移曲線

圖4 螺栓斷口形貌

表1 蝸輪固定螺栓室溫拉伸性能和硬度

2.1.4 拉伸斷裂試樣斷口形貌分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)蝸輪固定螺栓拉伸斷裂后的斷口進(jìn)行觀察，斷口形貌呈韌窩，斷裂模式為塑性斷裂，也就是說(shuō)，該螺栓服役至今材料強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯降低。

綜上所述，排除螺栓材料本身的問(wèn)題。

2.2 銷(xiāo)孔偏大導(dǎo)致銷(xiāo)釘未起到承受扭力的作用

2.2.1 定位銷(xiāo)失去承受載荷力作用

螺栓作用是將蝸輪固定在滾珠螺母本體上，共有6顆，正常情況下有2個(gè)定位銷(xiāo)進(jìn)行定位，固定螺栓不受剪切力。經(jīng)測(cè)量銷(xiāo)子的直徑為12.67 mm，定位銷(xiāo)孔直徑為12.69 mm，銷(xiāo)孔經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行磨損已經(jīng)變大，銷(xiāo)子可以輕松進(jìn)入且左右有晃動(dòng)。在每次啟停橋架受到的沖擊最大，銷(xiāo)子定位孔出現(xiàn)間隙，蝸輪上原本不受剪切力的螺栓存在受力情況，經(jīng)過(guò)不斷沖擊，出現(xiàn)疲勞。

2.2.2 螺栓受力分析

該蝸桿蝸輪組件是以蝸桿為主動(dòng)作減速傳動(dòng)，具有自鎖性，蝸桿為阿基米德圓柱蝸桿，蝸桿頭數(shù)Z1=2（即蝸桿轉(zhuǎn)一圈，蝸輪走2個(gè)齒），傳動(dòng)比i=20，蝸輪齒數(shù)Z2=iZ1=40。雙速異步電機(jī)的輸出功率為40 HP（1 hp=0.735 kW）（緩速區(qū)）、20 HP（1 hp=0.735 kW）（快速區(qū)），所以蝸桿的輸入功率p=29.4 kW、14.7 kW，轉(zhuǎn)速n=750 r/min、1500 r/min。

蝸桿在緩速區(qū)的輸入轉(zhuǎn)矩T1：

按參考文獻(xiàn)[1]中式（12-2）粗算傳動(dòng)效率η：

由參考文獻(xiàn)[1]表12-17得出蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩T2：

（1）由此可以計(jì)算出在快速區(qū)T1=93.59 N·m；T2=1579 N·m。

（2）通過(guò)蝸輪的輸出轉(zhuǎn)矩可以看出，每當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿動(dòng)作時(shí)，蝸輪都承受著最大時(shí)為6315 N·m的扭矩，可以推測(cè)到在定位銷(xiāo)釘未起到承受載力的情況下，絕大部分的力都施加在了螺栓上面。

2.3 螺栓斷口形貌分析

圖5為螺栓斷口照片，可見(jiàn)螺栓整體顏色分層明顯，啟裂區(qū)位于斷口邊緣螺紋牙底部位，斷面可見(jiàn)兩處裂紋源，顏色呈深黑色；擴(kuò)展區(qū)可看到明顯的放射棱，顏色由深逐漸變淺；瞬斷區(qū)可觀察到剪切唇，顏色呈淺灰色。螺栓斷裂形式：雙源發(fā)的脆性疲勞斷裂。圖6所示為斷口低倍形貌，可見(jiàn)斷面存在兩處裂紋源（圖中A處和B處），均位于螺紋牙底部位，并且兩處裂紋源附近斷面均可見(jiàn)明顯腐蝕痕跡，現(xiàn)將斷口分為A、B、C、D、E、F六個(gè)區(qū)域進(jìn)行觀察。

圖5 斷裂螺栓

圖6 斷口低倍形貌

斷面A、B區(qū)微觀形貌如圖7a）所示，斷口顏色深且邊緣被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，斷口呈“冰糖狀”沿晶開(kāi)裂，且呈弧形狀向內(nèi)部擴(kuò)展，是啟裂區(qū)之一，斷口邊緣表面覆蓋明顯的腐蝕產(chǎn)物，斷口以“冰糖狀”沿晶開(kāi)裂為主；斷面C區(qū)微觀形貌如圖7b）所示，主斷面以“冰糖狀”沿晶開(kāi)裂為主；個(gè)別晶面顯示有“氫氣孔”及呈“雞爪紋”形態(tài)的穿晶解理（圖中分布用“圈”和“指示線”標(biāo)示），有氫脆特征。C區(qū)為A區(qū)的裂紋擴(kuò)展區(qū)。斷面D區(qū)微觀形貌如圖7c）所示，形貌特征與C區(qū)類(lèi)似，主斷面為沿晶開(kāi)裂，個(gè)別地方有氫脆特征，D區(qū)為B區(qū)的裂紋擴(kuò)展區(qū)。斷面E、F區(qū)微觀形貌如圖7d）所示，斷口微觀形貌呈韌窩狀，為韌性斷裂特征。E區(qū)為快速擴(kuò)展區(qū)，F(xiàn)區(qū)為瞬斷區(qū)。

圖7 斷面A、B區(qū)微觀形貌

2.4 能譜分析

對(duì)B區(qū)進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2，B區(qū)能譜分析結(jié)果，可見(jiàn)含有為C、Si、Fe、Mn、S、Cr、Zn、O、Cl等元素。其中Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.57%。

表2 能譜分析結(jié)果

2.5 氯脆

金屬的氯化物應(yīng)力腐蝕破裂稱為氯脆，是指金屬在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力（殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力、工作應(yīng)力等）共同作用下，產(chǎn)生的脆斷現(xiàn)象。多數(shù)情況下，氯脆是以點(diǎn)蝕或裂縫腐蝕為起點(diǎn)的，由于螺栓在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的大力矩沖擊下出現(xiàn)裂紋，氯元素在裂紋處聚集，在應(yīng)力造成的晶格破壞協(xié)助下，滲入到金屬基體，通過(guò)電化學(xué)的陽(yáng)極過(guò)程形成穿晶腐蝕或晶間腐蝕，陰極則由氫離子或溶解氧擔(dān)任，金屬晶格被破壞，最終形成腐蝕破裂現(xiàn)象。

經(jīng)化學(xué)分析，環(huán)境中（潤(rùn)滑油）鹵素含量很低（低于檢測(cè)閾值），但仍可能存在極少量（低于5×10-5）鹵素。本次斷裂螺栓斷口啟裂區(qū)檢測(cè)出氯離子，可能為螺栓儲(chǔ)運(yùn)、保養(yǎng)、清潔等安裝過(guò)程中引入的危害元素。

3 結(jié)語(yǔ)

蝸輪固定螺栓的材質(zhì)檢驗(yàn)合格，環(huán)境介質(zhì)潤(rùn)滑油的侵蝕性離子低于測(cè)試方法下限值，其他同批次服役螺栓的力學(xué)性能、宏觀檢驗(yàn)未見(jiàn)異常。螺栓啟裂部位存在氯離子，螺紋根部應(yīng)力集中部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而陰極析氫反應(yīng)的氫原子擴(kuò)散并聚集到裂紋尖端，使得材料在較低應(yīng)力水平發(fā)生微裂紋萌生和擴(kuò)展，直至承載截面不足并在外力扭矩的作用下發(fā)生斷裂。因此，該螺栓斷裂的根本原因?yàn)槁入x子引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而腐蝕過(guò)程的析氫反應(yīng)促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。銷(xiāo)孔擴(kuò)大造成銷(xiāo)釘未起到受力作用從而導(dǎo)致螺栓長(zhǎng)期受到扭力是螺栓斷裂的直接原因。

在更換蝸輪備件時(shí)，應(yīng)明確銷(xiāo)釘和螺栓的安裝順序，先確認(rèn)銷(xiāo)釘安裝到位后，再安裝螺栓，這樣可以保證螺栓在打力矩的時(shí)候沒(méi)有承受額外的擠壓力。每次橋架絲桿齒輪箱更換下來(lái)后的檢修工作中，需要將6顆蝸輪固定螺栓、兩個(gè)定位銷(xiāo)拆除，對(duì)其進(jìn)行磁粉無(wú)損檢測(cè)，排除螺栓、銷(xiāo)釘本身的裂紋損傷。加強(qiáng)螺栓防咬防松劑、潤(rùn)滑脂、螺栓清洗劑等物品的化學(xué)成分等監(jiān)督，尤其是氯的控制，滿足化學(xué)品管理對(duì)雜質(zhì)離子的要求。