U型螺栓失效斷裂原因分析

鄭建軍，樊子銘，喬欣

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

空冷島是一種常見的流體機械，主要用于火力發(fā)電、石油化工等能源工業(yè)領(lǐng)域，其性能的好壞、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對整個風(fēng)機的安全可靠運行具有重要的影響[1-2]。U型高強螺栓主要用于對風(fēng)扇葉片進(jìn)行固定，若螺栓在使用過程中存在安裝不到位、力矩不夠等問題則會導(dǎo)致螺栓受力不均勻，使螺栓在運行后出現(xiàn)松動，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度較高的螺紋根部逐漸形成裂紋源，并最終在綜合交變應(yīng)力的作用下誘發(fā)疲勞破壞[3-4]。

1 故障介紹

某電廠機組在運行過程中，空冷島第五列減速機的兩條風(fēng)葉U型螺栓發(fā)生斷裂，斷裂時風(fēng)葉的最高轉(zhuǎn)速為55 r/min。該機組空冷島采用軸流風(fēng)機，每臺減速機共裝有5組風(fēng)葉，各風(fēng)葉均由2條U型螺栓進(jìn)行固定，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空冷島結(jié)構(gòu)

斷裂的U型螺栓規(guī)格為M36，材質(zhì)為35 CrMo，強度等級為9.8級，機組累計運行約為79 000 h。為了避免此類故障再次發(fā)生，對斷裂的U型螺栓進(jìn)行綜合性失效原因分析。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌觀察與分析

從現(xiàn)場情況來看，U型螺栓與風(fēng)葉輪轂間存在明顯的間隙，表明U型螺栓的彎曲半徑小于風(fēng)葉輪轂的半徑，如圖2（a）所示。通過對送檢的U型螺栓進(jìn)行宏觀形貌檢查，可以看出兩條螺栓的斷裂部位均位于螺桿光桿處，U型螺栓1的斷裂位置為螺桿圓弧過渡處內(nèi)側(cè)，U型螺栓2的斷裂位置為靠近螺母的直桿處，見圖2（b）。從圖2（c）中可以觀察到U型螺栓1的斷口斷面較為平齊，表面存在一層浮銹；斷口附近螺桿可見輕微塑性變形及磨損痕跡；此外，斷口表面可以清晰地觀察到啟裂區(qū)、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)，與疲勞斷裂特征相符，見圖2（d）。U型螺栓2的斷口表面為灰色金屬光澤，呈撕裂狀，具有明顯的塑性變形特征，如圖2（e）所示。

圖2 斷裂U型螺栓宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分檢測與分析

按照文獻(xiàn)[5]中的要求，使用SPECZROMAXx型臺式直讀光譜儀對斷裂的U型螺栓取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。

表1 U型螺栓化學(xué)成分檢測結(jié)果

從表1中可以看出，U型螺栓中各元素含量均符合文獻(xiàn)[6]中規(guī)定的35 CrMo鋼的材質(zhì)要求。

2.3 顯微組織檢測與分析

按照文獻(xiàn)[7]中的要求，利用Axio Observer.Alm型金相顯微鏡對斷裂的兩條U型螺栓分別取樣進(jìn)行金相組織觀察。由實驗結(jié)果可以觀察到，兩條U型螺栓的基體組織均為回火索氏體，晶粒大小均勻，且未見網(wǎng)狀鐵素體和夾雜等異常組織，見圖3。

圖3 斷裂U型螺栓金相組織

2.4 SEM斷口微觀形貌觀察與分析

利用SEM對U型螺栓1的斷口微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。

圖4 U型螺栓1斷口形貌

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，U型螺栓1斷面內(nèi)存在大量以裂紋源為中心的海灘狀疲勞條帶，擴展區(qū)內(nèi)的疲勞輝紋清晰可見，瞬斷區(qū)則主要以淺韌窩+少量撕裂棱組成?？偟膩碚f，U型螺栓1的斷口微觀形貌與調(diào)質(zhì)鋼疲勞斷裂的特征相符。

2.5 力學(xué)性能檢測與分析

按照文獻(xiàn)[8-9]中的要求，分別利用ZBC-300B型數(shù)字式?jīng)_擊試驗機和Tukon2 500-6全自動維氏硬度測試儀對送檢的U型螺栓1取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果見表2。

表2 U型螺栓力學(xué)性能檢測結(jié)果

可以看出，U型螺栓1的維氏硬度及室溫沖擊韌性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。

2.6 斷裂原因分析

綜合以上實驗數(shù)據(jù)可知，U型螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，排除錯用材質(zhì)情況，且U型螺栓的基體組織為回火索氏體，未見網(wǎng)狀鐵素體、夾雜等組織異常。然而，從現(xiàn)場及宏觀形貌的觀察結(jié)果看出，兩條U型螺栓與風(fēng)葉輪轂間均存在明顯間隙，這說明螺栓與輪轂存在規(guī)格選用不匹配的問題；其次，U型螺栓1的斷裂位置為螺桿圓弧過渡處內(nèi)側(cè)，該位置為螺桿與風(fēng)葉輪轂的主要接觸部位；且U型螺栓1的斷裂點位于螺桿內(nèi)弧與直桿過渡處，該部位存在一定程度的彎制殘余應(yīng)力；因此，U型螺栓斷裂的主要原因與螺栓的規(guī)格選用不合規(guī)有關(guān)。由于U型螺栓1的彎曲半徑小于風(fēng)葉輪轂的半徑，使得二者間未能緊密結(jié)合，從而導(dǎo)致螺桿內(nèi)弧側(cè)與風(fēng)葉輪轂的接觸部位形成應(yīng)力集中，并在壓應(yīng)力的長期作用下引發(fā)磨損而誘發(fā)疲勞裂紋源[11-12]。疲勞裂紋源在拉應(yīng)力、風(fēng)葉振動所產(chǎn)生的交變應(yīng)力及彎制殘余應(yīng)力的共同作用下不斷擴展，進(jìn)而導(dǎo)致U型螺栓的有效載荷面積不斷減小，機械強度逐漸下降，并引發(fā)斷裂故障。

3 結(jié)論及建議

1）機組在運行過程中，U型螺栓的規(guī)格選用不匹配導(dǎo)致螺桿與風(fēng)葉輪轂間形成應(yīng)力集中，并因長期磨損而產(chǎn)生疲勞源，在拉應(yīng)力、彎制殘余應(yīng)力及風(fēng)葉振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力的共同作用下，疲勞裂紋加速擴展，導(dǎo)致螺栓的疲勞斷裂失效。

2）為了防止U型螺栓再次斷裂失效，確保機組安全運行，建議先排查同類型風(fēng)葉U型螺栓是否存在開裂現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，其次應(yīng)使用規(guī)格、材質(zhì)及強度均相匹配的U型螺栓。