范磊，許帥

（五凌電力有限公司碗米坡水電站，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

水輪機(jī)大軸聯(lián)接螺栓是水輪機(jī)最重要的連接件及緊固件之一，對(duì)水輪機(jī)組振動(dòng)、擺度以及正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。自俄羅斯薩揚(yáng)·舒申斯克水電站因頂蓋螺栓失效導(dǎo)致水電行業(yè)有史以來最嚴(yán)重的事故以來，水輪機(jī)組“三件”——緊固件、連接件、預(yù)埋件的安全管控日益被行業(yè)所重視。如何確保機(jī)組“三件”缺陷的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定可靠運(yùn)行，成為水電行業(yè)最為重要的課題之一。

1 碗米坡水電機(jī)組大軸聯(lián)接螺栓緊固要求

碗米坡水電站位于沅水支流酉水的中游，在湖南省湘西土家族苗族自治州保靖縣境內(nèi)，電站裝機(jī)三臺(tái)，總裝機(jī)容量為240MW。水電站水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組由富春江富士水電設(shè)備有限公司制造，單機(jī)容量為80MW，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF80-60/10400立軸全傘式水輪發(fā)電機(jī)，水輪機(jī)型號(hào)為HL(PO50)-LJ-525混流式水輪機(jī)。

水輪機(jī)主軸采用帶軸領(lǐng)20SiMn鍛造結(jié)構(gòu)，外法蘭型式，中空結(jié)構(gòu)作為大軸補(bǔ)氣裝置的補(bǔ)氣通道。主軸與發(fā)電機(jī)軸采用20只材質(zhì)為鍛造S42CrMo銷釘螺栓聯(lián)接，螺栓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 大軸聯(lián)接螺栓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)備制造廠家提供的機(jī)組聯(lián)軸技術(shù)規(guī)范要求，待發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、上下機(jī)架等安裝并能承受重量且發(fā)電機(jī)單盤完成后，利用機(jī)組聯(lián)軸工具將水輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)輪提升，將聯(lián)軸螺栓和螺母均采用石墨或者二氧化鉬油脂潤滑后，穿上全部20個(gè)大軸銷釘螺栓并凝緊至“零”位置，標(biāo)記螺母位置，并用0.02mm塞尺檢查大軸法蘭聯(lián)接面的緊密性。

利用螺栓液壓拉伸器，對(duì)稱緊固大軸聯(lián)接螺栓，每個(gè)螺栓分兩次拉伸，同時(shí)，檢查每個(gè)螺栓的伸長(zhǎng)量（0.29mm/次）符合要求，滿足螺栓最終的總伸長(zhǎng)量為0.58mm，每次測(cè)量伸長(zhǎng)量均應(yīng)在液壓拉升器油壓卸掉后測(cè)量。

2 碗米坡水電機(jī)組大軸聯(lián)接螺栓斷裂原因分析

碗米坡水電站2號(hào)機(jī)組檢修過程中12號(hào)螺栓進(jìn)行拉伸過程中發(fā)生斷裂。

2.1 受力分析

螺栓斷裂時(shí)液壓拉伸器壓力為130MPa，該液壓拉升器對(duì)應(yīng)的壓力載荷對(duì)照表見表2，可計(jì)算出拉伸器提供的拉力為3034kN。

根據(jù)表1，可以計(jì)算出大軸聯(lián)接螺栓的許用拉力及屈服拉力：

式中，F(xiàn)1為大軸聯(lián)接螺栓的許用拉力；F2為大軸聯(lián)接螺栓的屈服拉力；A為螺栓截面積，11.3×10-3m2。

結(jié)合安裝現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)際情況，大軸聯(lián)接螺栓第二次拉伸按130MPa（3034kN）拉緊力拉伸螺栓，實(shí)測(cè)螺栓伸長(zhǎng)量在1～1.1mm，此時(shí)，將螺帽擰緊至貼緊發(fā)電機(jī)軸法蘭上端面后，拉升器泄壓，螺栓伸長(zhǎng)值回復(fù)到了0.54～0.58mm（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)四個(gè)，分別為0.54、0.55、0.56、0.58mm），大軸聯(lián)接螺栓伸長(zhǎng)量滿足制造廠家技術(shù)要求。

大軸聯(lián)接螺栓拉伸器預(yù)緊拉力為3034kN，雖然大于廠家給定的螺栓工作狀態(tài)下的許用拉應(yīng)力F1，但遠(yuǎn)小于屈服拉力F2，液壓拉伸器拉力過大不是造成螺栓斷裂的主要原因。

2.2 宏觀檢查

對(duì)斷口宏觀形貌進(jìn)行觀察（見圖1），斷口位于小直徑向大直徑過渡的軸肩處，斷口較平整、粗糙，可見閃亮小刻面，為典型的脆性斷裂。在斷裂螺栓邊緣處發(fā)現(xiàn)有兩處裂紋源如圖所示，裂紋源附近平滑，斷口具有疲勞特征，裂紋源往外發(fā)散具有放射狀花樣，邊緣最外邊有剪切唇。從斷口的宏觀形貌判斷，裂紋是從邊緣處萌生并向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸后，單位面積承載的強(qiáng)度超過材料的抗拉極限，使得最后連接部位瞬間斷裂。

圖1 螺栓斷口照片

2.3 金相試驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓取金相樣進(jìn)行試驗(yàn)，在斷口邊緣起斷位置分別取1號(hào)、2號(hào)樣，斷口往下的位置取4號(hào)樣，在斷口中間位置取4號(hào)樣。所得金相組織均為回火馬氏體，未見異常。

2.4 拉伸檢測(cè)

對(duì)斷裂螺栓取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所得平均抗拉強(qiáng)度為817.3MPa、平均屈服強(qiáng)度為670.3MPa、斷后伸長(zhǎng)率為20%。屈服強(qiáng)度滿足制造廠家技術(shù)要求，但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求（見表2）。

表2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5 螺栓斷裂原因分析

由化學(xué)成分分析結(jié)果表明，材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)的結(jié)果表明，材料的硬度高于標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求但滿足廠家設(shè)計(jì)計(jì)算要求。螺栓斷裂在變徑部位，斷口呈疲勞斷裂特征，螺栓斷裂是疲勞所致。螺栓在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中產(chǎn)生疲勞源，聯(lián)軸安裝時(shí)的拉伸導(dǎo)致疲勞源迅速擴(kuò)展而斷裂。螺栓的硬度和力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求是斷裂的主要原因。

3 防止螺栓斷裂措施

水輪機(jī)大軸聯(lián)接螺栓是水輪機(jī)的重要部件，不僅對(duì)水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，也對(duì)檢修聯(lián)軸作業(yè)施工安全帶來了重要影響，因此，需采取措施保證水輪機(jī)大軸聯(lián)接螺栓的質(zhì)量以及缺陷及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

3.1 螺栓熱處理工藝優(yōu)化

制造廠家對(duì)于大軸聯(lián)接螺栓技術(shù)要求提出：“調(diào)質(zhì)處理，硬度240～280HB”“氮化處理”，對(duì)大軸聯(lián)接螺母技術(shù)要求提出：“調(diào)質(zhì)處理，硬度200～250HB”。對(duì)螺栓進(jìn)行氮化處理是為了提高硬度，防止和螺母的咬死，但是，氮化處理后螺栓脆性增加，更容易在高應(yīng)力下表面產(chǎn)生裂紋并向螺紋內(nèi)部擴(kuò)展，增加了螺紋在擴(kuò)大性大修周期內(nèi)長(zhǎng)期工作情況下的斷裂可能性。因此，螺栓的熱處理工藝可調(diào)整為只對(duì)大軸聯(lián)接螺栓螺紋部位進(jìn)行氮化處理處理，控制脆性等級(jí)Ⅰ級(jí)；或者是不進(jìn)行氮化處理，控制螺栓硬度在260～300HB，螺母硬度在200～240HB，螺栓與螺母的硬度差控制在20HB以上，即可有效地防止咬死的同時(shí)防止脆性裂紋的發(fā)生。

3.2 無損檢測(cè)工藝優(yōu)化

因考慮到采用射線檢測(cè)的方法不容易實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，碗米坡水電站通過定期對(duì)大軸聯(lián)接螺栓進(jìn)行超聲波檢測(cè)以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓內(nèi)部存在的缺陷，但歷次的檢測(cè)方法為采用直探頭從螺母的一端進(jìn)行全面掃查，這種方法只能檢測(cè)出與軸線相垂直的缺陷，由于大軸聯(lián)接螺栓長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且有多個(gè)直徑不同的軸段的原因，這種方式的掃查存在聲束掃查不到的死區(qū)，因此，此方法對(duì)于缺陷的發(fā)現(xiàn)存在較大的局限性。

考慮到大軸聯(lián)接螺栓為鍛造件，鍛造工藝主要以拔長(zhǎng)為主，大部分的缺陷的取向與軸線平行，此類缺陷的檢測(cè)以縱波直探頭從徑向檢測(cè)效果最佳?？紤]到缺陷會(huì)有其他的分部及取向，因此，大軸聯(lián)接螺栓的檢測(cè)，還應(yīng)結(jié)合機(jī)組大小修，輔以縱波直探頭在端面的軸向檢測(cè)，必要時(shí)，還應(yīng)附以斜探頭的徑向檢測(cè)及軸向檢測(cè)。

（1）縱波直探頭徑向和軸向檢測(cè)，其用直探頭做徑向檢測(cè)時(shí)，要將探頭置于大軸聯(lián)接螺栓的外圓作全面的掃查，以發(fā)現(xiàn)此類鍛件中經(jīng)常出現(xiàn)的縱向缺陷。

（2）橫波斜探頭周向及軸向檢測(cè)。當(dāng)缺陷呈徑向且單片狀時(shí)，或如像大軸聯(lián)接螺栓這樣的軸上有幾個(gè)不同直徑的軸段，直探頭的徑向或軸向檢測(cè)方式都很難發(fā)現(xiàn)。此時(shí)，可選擇適當(dāng)折射角的橫波斜探頭作周向及軸向檢測(cè)?？紤]缺陷的取向，檢測(cè)時(shí)探頭應(yīng)作正、反兩個(gè)方向的全面掃查。

4 結(jié)語

本文通過理論計(jì)算受力分析、宏觀檢查、金相試驗(yàn)、光譜分析、硬度檢查、拉伸檢測(cè)等方面對(duì)碗米坡水電機(jī)組大軸聯(lián)接螺栓斷裂原因進(jìn)行分析，并從制造過程的熱處理及日常維護(hù)中的無損檢測(cè)工藝兩個(gè)方面提出改進(jìn)措施，確保了大軸聯(lián)接螺栓的制造質(zhì)量以及缺陷的及早發(fā)現(xiàn)，為其他電廠檢測(cè)大軸聯(lián)接螺栓裂紋及避免螺栓斷裂提供了思路。