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)
火電機(jī)組系統(tǒng)龐大,設(shè)備眾多,易發(fā)生運(yùn)行異常及設(shè)備缺陷。及時消除設(shè)備缺陷或隱患是保護(hù)機(jī)組安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一[1-6]。某火電機(jī)組停機(jī)過程中,啟動電動給水泵運(yùn)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(fēng)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(jī)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(fēng)扇螺栓斷裂斷裂原因進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究與分析,并提出預(yù)防及改進(jìn)措施,以防止此類情況再次發(fā)生。
試驗(yàn)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(fēng)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(qiáng)度≥700 MPa),規(guī)格為M12×25,累計(jì)運(yùn)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(jì);掃描電鏡分析,設(shè)備型號為TESCAN VEGA3 LM掃描電子顯微鏡等。
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
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(yán)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(yán)重彎曲變形、開裂并最終被拉斷。
圖2 螺牙形貌
對斷裂螺栓進(jìn)行了維氏硬度檢驗(yàn),檢驗(yàn)位置如圖3所示,檢驗(yàn)結(jié)果見表1??梢姡拷鼣嗫谖恢玫木S氏硬度值(檢驗(yàn)位置2和3)明顯高于遠(yuǎn)斷口位置(檢驗(yàn)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(yàn)位置示意圖
表1 維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果
對送檢螺栓的斷口進(jìn)行了SEM分析,見圖4。由圖4(a)和4(b)可見,螺栓斷口緩慢擴(kuò)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(kuò)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(jìn)行,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>
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(yùn)轉(zhuǎn)時間并不長,累計(jì)運(yùn)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(shí)驗(yàn)中只需100次即可松動。當(dāng)1號螺栓松動后,風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)過程中形成強(qiáng)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(fù)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。
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(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)過程中形成強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(diǎn)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。