某核電廠18PA6B柴油機(jī)發(fā)生連桿螺栓斷裂事故失效原因分析與研究

摘" 要：某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)組A列按計(jì)劃執(zhí)行設(shè)備季度試驗(yàn)（滿功率試驗(yàn)）過(guò)程中，A8缸活塞連桿螺栓斷裂，連桿飛出擊破A8缸曲軸箱蓋板，伴隨大量潤(rùn)滑油及冷卻水泄漏，現(xiàn)場(chǎng)人員立即緊急停機(jī)干預(yù)，柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)。針對(duì)此次事件，該文結(jié)合事故后受損零部件的檢驗(yàn)報(bào)告開展連桿螺栓斷裂原因分析，其中A8-1和A8-2連桿螺栓分別有1處和2處斷口，A8-1連桿螺栓斷口和A8-2連桿螺栓斷口1的斷口形貌均為雙向彎曲疲勞斷裂，A8-2連桿螺栓斷口2的斷口形貌為彎曲過(guò)載斷裂。通過(guò)斷口形貌及柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況，可以判斷出連桿螺母松退導(dǎo)致A8-1和A8-2連桿螺栓斷口1發(fā)生雙向彎曲疲勞斷裂，從而引起其他部件損壞。最后，為避免該類型事件發(fā)生，提出一些建議。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)組；連桿螺栓；失效原因分析；斷口；螺母

中圖分類號(hào)：TM623" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）33-0005-04

Abstract： During the quarterly equipment test（full power test） of the spare diesel generator set of a nuclear power plant as planned， the piston connecting rod bolt of cylinder A8 broke， and the connecting rod flew out and broke the crankcase cover plate of cylinder A8. Accompanied by the leakage of a large amount of lubricating oil and cooling water， on-site personnel immediately stopped the emergency and intervened， and the diesel generator was shut down. In response to this incident， this paper analyzes the causes of the connecting rod bolt fractures based on the inspection reports of damaged parts after the accident. Among them， the A8-1 and A8-2 connecting rod bolts have 1 and 2 fractures respectively. The fracture morphology of the A8-1 connecting rod bolt fracture and the A8-2 connecting rod bolt fracture 1 are both bidirectional bending fatigue fractures， and the fracture morphology of the A8-2 connecting rod bolt fracture 2 is bending overload fracture. Through the fracture morphology and the operating conditions of the diesel generator， it can be determined that the loosening of the connecting rod nuts causes the two-way bending fatigue fracture of the A8-1 and A8-2 connecting rod bolts" fracture 1， which causes damage to other components. Finally， some suggestions are put forward to avoid this type of incident.

Keywords： diesel generator set; connecting rod bolt; failure cause analysis; fracture; nut

2019年1月12日，某核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)組A列按計(jì)劃執(zhí)行設(shè)備季度試驗(yàn)（滿功率試驗(yàn)）過(guò)程中，A8缸活塞連桿螺栓斷裂，連桿飛出擊破A8缸曲軸箱蓋板，伴隨大量潤(rùn)滑油及冷卻水泄漏，現(xiàn)場(chǎng)人員立即緊急停機(jī)干預(yù)，柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)。

故障柴油機(jī)型號(hào)為18PA6B，該類型柴油機(jī)是在法國(guó)熱機(jī)協(xié)會(huì)（S.E.M.T）PA6型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上通過(guò)增加行程、匹配高效增壓器、重新設(shè)計(jì)噴油系統(tǒng)等而研發(fā)的新一代高性能中高速柴油機(jī)（圖1）。

柴油機(jī)由兩大機(jī)構(gòu)和四大系統(tǒng)組成：兩大機(jī)構(gòu)是指曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)；四大系統(tǒng)是指啟動(dòng)空氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、高/低溫水冷卻系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)。其中，發(fā)生斷裂的連桿螺栓屬于曲柄連桿機(jī)構(gòu)（crank train）中的部件，它是柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件中的薄弱件。

1" 連桿螺栓及連桿螺母的試驗(yàn)結(jié)果分析

本文從斷裂的連桿螺栓及受損的連桿螺母的試驗(yàn)結(jié)果分析著手，結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)律，進(jìn)行連桿螺栓斷裂原因分析和研究。受損的連桿及連桿螺栓整體形貌如圖2所示。

從受損的連桿及連桿螺栓的整體形貌可以看出以下3點(diǎn)：①A8-1和A8-2連桿螺栓（分別對(duì)應(yīng)于柴油發(fā)電機(jī)組的B側(cè)和A側(cè)）分別有1處和2處斷口；②連桿A側(cè)有較嚴(yán)重的磕碰痕跡，這是由于柴油機(jī)按照功率輸出端的旋轉(zhuǎn)方向被分為順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较颍?8PA6B柴油機(jī)為逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，A側(cè)在運(yùn)行事故發(fā)生后與機(jī)體主油道磕碰，發(fā)生損傷；③A側(cè)大端蓋存在向外彎曲變形的情況。

1.1" 連桿螺栓試驗(yàn)結(jié)果分析

事故發(fā)生后，對(duì)A8-1和A8-2連桿螺栓樣品進(jìn)行了一系列試驗(yàn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：A8-1和A8-2連桿螺栓的化學(xué)成分、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊吸收能量、硬度值、金相組織及螺紋底部圓角半徑均符合標(biāo)準(zhǔn)要求或未見異常。

1.1.1" A8-1連桿螺栓試驗(yàn)結(jié)果分析

安裝在連桿B側(cè)的A8-1螺栓斷裂成2段，斷裂位置為種入端螺紋段與光桿結(jié)合部位，種入端段留在連桿孔內(nèi)，取出對(duì)合后未見明顯彎曲變形。在連桿與大端蓋間的結(jié)合部位對(duì)應(yīng)的螺栓表面存在2處局部磨損發(fā)亮痕跡，分別為A、B側(cè)；螺母端螺栓螺紋存在長(zhǎng)約4 mm的磨損痕跡，對(duì)應(yīng)的大端蓋螺栓孔內(nèi)也有螺紋磨損痕跡（圖3）。

A8-1螺栓斷面存在2個(gè)源區(qū)，分別位于兩側(cè)外壁，約呈180°對(duì)稱，對(duì)應(yīng)于A、B側(cè)，微觀下未見缺陷，源區(qū)附近外表面存在平行于斷面的小裂紋；擴(kuò)展區(qū)面積較大，斷面平整，宏觀下可見疲勞弧線，微觀下可見疲勞條帶；終斷區(qū)面積較小，位于另外兩側(cè)外壁，微觀形貌為韌窩（圖4）。

1.1.2" A8-2連桿螺栓試驗(yàn)結(jié)果分析

安裝在連桿A側(cè)的A8-2螺栓斷裂成3段，斷裂位置為種入端螺紋段與光桿結(jié)合部位、連桿與大端蓋結(jié)合處，其中種入端的1段螺栓留在連桿孔內(nèi)；取出對(duì)合后可見連桿與大端蓋結(jié)合的部位（即斷口2部位）存在明顯彎曲變形，該部位螺栓表面存在2處局部磨損發(fā)亮痕跡，分別對(duì)應(yīng)于A、B側(cè)；螺母端螺栓螺紋存在長(zhǎng)約28 mm的磨損痕跡，對(duì)應(yīng)大端蓋螺栓孔內(nèi)也有螺紋磨損痕跡（圖5）。

A8-2螺栓在靠近種入端側(cè)（編為斷口1）和大端蓋結(jié)合處（編為斷口2）各有1個(gè)斷口，斷口1的斷面特征與A8-1螺栓斷面基本一致（圖6）。

斷口2的斷面源區(qū)位于一側(cè)外壁，對(duì)應(yīng)于B側(cè)，斷面起伏較大，微觀下未見缺陷，擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)微觀形貌均為韌窩（圖7）。

A8-1斷口及A8-2斷口1的斷面特征基本一致，其中源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、終斷區(qū)形貌相同，宏觀下可見疲勞弧線，微觀下可見疲勞條帶。A8-2斷口2的斷面特征與上述2個(gè)斷口的斷面特征差異較大，斷面形貌為彎曲過(guò)載斷裂。在執(zhí)行滿功率試驗(yàn)過(guò)程中，故障柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min，連桿螺栓是運(yùn)動(dòng)件中的薄弱零部件，在工作過(guò)程中要承受活塞連桿往復(fù)慣性力和連桿旋轉(zhuǎn)離心力等交變應(yīng)力，而且在氣缸的壓縮和爆發(fā)沖程中還要受到每分鐘上千次交變應(yīng)力的沖擊。

在工作過(guò)程中，連桿螺母松退將導(dǎo)致連桿螺栓在交變應(yīng)力的作用下，使大端蓋相對(duì)連桿產(chǎn)生A—B方向間的反復(fù)橫向位移（此時(shí)定位銷已斷裂），引起2個(gè)螺栓在種入端附近產(chǎn)生雙向彎曲疲勞載荷，直至螺栓疲勞斷裂。而A8-2斷口2是由于柴油機(jī)在事故后與主油道發(fā)生碰撞，在連桿與大端蓋結(jié)合處發(fā)生彎曲過(guò)載斷裂。

1.2" 連桿螺母試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)A8-1和A8-2連桿螺母樣品進(jìn)行了宏觀檢查及尺寸測(cè)量、化學(xué)成分分析、硬度試驗(yàn)、金相分析及掃描電鏡觀察。試驗(yàn)結(jié)果表明：樣品的化學(xué)成分和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求或未見異常。A8-1和A8-2連桿螺母的硬度值符合企業(yè)技術(shù)要求但不符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求（抗拉強(qiáng)度按GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)換算硬度），且已接近企業(yè)技術(shù)要求的下限值（300 HB）， 其中A8-1（304 HB）和A8—2（307 HB）；A8-1、A8-2螺母分別有3和2個(gè)螺紋牙底存在裂紋，該類裂紋為疲勞過(guò)載引起的而非原始缺陷（圖8）。

A8-1和A8-2連桿螺母存在松動(dòng)退出現(xiàn)象，其中A8-2退出長(zhǎng)度明顯大于A8-1，與A8-2螺母（對(duì)比分析使用）安裝位置相比，分別退出約4 mm和28 mm；A8-1和A8-2螺母內(nèi)螺紋未見磨損；2個(gè)螺母內(nèi)螺紋牙形狀完整，均未見磨損及缺失。

A8-1和A8-2連桿螺母與大端蓋結(jié)合面可見明顯的磨損痕跡且局部存在變色、過(guò)熱相變及變形組織，電鏡下存在明顯的凹坑、折疊等磨損變形痕跡（圖9）。

2" 連桿螺栓斷裂失效原因分析

根據(jù)樣品試驗(yàn)報(bào)告，結(jié)合柴油機(jī)運(yùn)行規(guī)律，連桿螺母松退會(huì)導(dǎo)致連桿螺栓在種入端段發(fā)生雙向彎曲疲勞斷裂，柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，連桿螺母與大端蓋發(fā)生碰撞，在結(jié)合面部位產(chǎn)生高溫，使螺母表面產(chǎn)生凹坑、折疊等磨損變形痕跡。

根據(jù)A8-1和A8-2連桿螺栓斷口形貌可以判斷出，疲勞斷裂性質(zhì)類似于先高周疲勞、后低周疲勞斷裂。力矩不足是連桿螺母松退的可能原因之一，圖10將按照力矩不足的情況對(duì)失效順序進(jìn)行說(shuō)明。

3" 預(yù)防措施及改進(jìn)建議

針對(duì)本次事件，本文提出以下3種措施來(lái)預(yù)防及避免同類型事件再次發(fā)生，分別為對(duì)連桿螺栓力矩進(jìn)行校驗(yàn)、增設(shè)曲柄銷油溫（連桿甩油）傳感器、增設(shè)曲軸箱煙霧報(bào)警傳感器。

3.1 連桿螺栓力矩校驗(yàn)

在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，嚴(yán)格地保證連桿螺栓力矩達(dá)到要求值是十分必要的，在柴油機(jī)的定期維護(hù)過(guò)程中，要對(duì)連桿螺栓力矩進(jìn)行校驗(yàn)及檢查，確保每個(gè)缸的連桿螺栓力矩值滿足要求。

3.2" 曲柄銷油溫（連桿甩油）傳感器

PCOT（連桿甩油傳感器）可以在部件損壞前停止柴油機(jī)，下面的例子為PCOT設(shè)備監(jiān)測(cè)到連桿軸承故障并避免曲軸的嚴(yán)重裂紋，如此快速高效地保護(hù)動(dòng)作挽救了這根曲軸（圖11）。

PCOT系統(tǒng)已發(fā)展到可以在非常短的時(shí)間內(nèi)完成安裝，方法簡(jiǎn)單。分為以下幾步：①曲軸箱蓋板鉆孔，安裝溫度探頭；②PCOT控制顯示柜的固定；③安裝溫度探頭和控制顯示柜之間的線纜；④連接溫度探頭線纜、電源線纜和繼電器輸出信號(hào)；⑤現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和調(diào)整參數(shù)設(shè)定。

3.3" 曲軸箱煙霧報(bào)警傳感器

曲軸箱煙霧報(bào)警傳感器（Oil mist detector monitoring and safety）顯示煙霧濃度檢測(cè)的狀態(tài)（圖12），該系統(tǒng)可以避免柴油機(jī)重大部件的嚴(yán)重?fù)p壞，主要是曲軸，以改善柴油機(jī)的可靠性，有以下3種工況：①煙霧濃度檢測(cè)正常；②煙霧濃度高報(bào)警；③煙霧濃度高停車。

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