龍 見 穎, 徐 益 寶

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610051)

1 概 述

某大型水電站安裝有6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組,額定水頭165 m,最大水頭189.2 m,單機(jī)容量612 MVA。水輪機(jī)的附屬部件主軸密封基礎(chǔ)板架設(shè)在水輪機(jī)頂蓋與大軸之間,用于支撐主軸密封上腔環(huán)、中間環(huán)、下腔環(huán)、頂環(huán)及碳精塊等主軸密封工作部件?；A(chǔ)板沿圓周方向共分為6塊,由60顆M36×100螺栓與頂蓋把合,螺栓為六角頭剛性螺栓,材質(zhì)為1Cr18Ni9。6塊基礎(chǔ)板之間通過24顆M24螺栓組合連接。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),主軸法蘭、主軸密封基礎(chǔ)板、頂蓋三者形成密閉空腔,空腔內(nèi)壓力約1 MPa,空腔內(nèi)持續(xù)受到機(jī)組運(yùn)行過流產(chǎn)生的循環(huán)沖擊載荷影響。

在機(jī)組檢修期間進(jìn)行主軸密封常規(guī)檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)主軸密封基礎(chǔ)板把合螺栓斷裂9顆,均在檢查緊固或拆除時(shí)擰斷,9顆斷裂螺栓沿圓周向呈不規(guī)則分布。主軸密封基礎(chǔ)板螺栓作為主軸密封與頂蓋重要連接緊固件,一旦發(fā)生松動(dòng)或大面積斷裂,頂蓋內(nèi)水壓將掀翻基礎(chǔ)板,造成機(jī)組劇烈振動(dòng)甚至發(fā)生水淹廠房的災(zāi)難性事故[1]。

2 原因分析

2.1 斷口宏觀分析

所有斷裂螺栓宏觀形貌相似,斷裂螺栓斷面見圖1。螺栓斷口未發(fā)生塑性變形,斷口與螺栓軸向垂直,斷口表面平齊,螺栓斷裂位置距離六角端頭約60 mm,位于與基礎(chǔ)連接的裝配面附近。從斷面上看,分成纖維區(qū)和剪唇區(qū),斷口尺度較大,出現(xiàn)放射形及人字形山脊?fàn)罨y,在斷口邊緣有剪切唇,剪切唇在斷口的邊緣,與構(gòu)件表面約成45°夾角。斷口螺紋絲扣處存在非常清晰的磨損痕跡,其中一處磨損接近螺栓頂部,斷裂方式表現(xiàn)為脆性斷口。斷口截面分布不均勻,其中一側(cè)占較大面積,說明螺栓在受到軸向應(yīng)力的同時(shí),還受到彎曲及剪切應(yīng)力的作用。

圖1 斷裂螺栓斷面圖

2.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)規(guī)范[2]要求分析斷裂螺栓材料的化學(xué)成分,主軸密封基礎(chǔ)板螺栓化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1,表中同時(shí)列出規(guī)范[3]對螺栓中各元素含量要求。測試結(jié)果表明,除Ni元素與標(biāo)準(zhǔn)存在偏差外,斷裂螺栓的主要合金元素含量均符合國標(biāo)要求。

表1 主軸密封基礎(chǔ)板螺栓化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

2.3 金相檢測分析

選取斷裂螺栓進(jìn)行金相分析和夾雜物檢驗(yàn)。斷裂螺栓金相組織形貌見圖2,金相檢驗(yàn)結(jié)果表明,基體組織均為奧氏體,晶界析出物較多,未見晶體裂紋等缺陷,存在細(xì)小顆粒物,細(xì)小顆粒物為氮化鈦夾雜物和腐蝕坑。Ti可以徹底消除晶體間腐蝕傾向,可以提高固溶體中的wcr,是提高鋼基體的電極電位的有效元素[4],屬于奧氏體不銹鋼穩(wěn)定化處理必需元素,不屬于異常夾雜物。

圖2 斷裂螺栓金相組織形貌圖

2.4 螺栓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.4.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范[5]中相關(guān)規(guī)定,選取此批次斷裂螺栓的斷口區(qū)域進(jìn)行里氏硬度檢測,螺栓硬度檢測結(jié)果見表2,斷裂螺栓硬度測試位置見圖3。

表2 螺栓硬度檢測結(jié)果

圖3 斷裂螺栓硬度測試位置圖

根據(jù)規(guī)范[6]中相關(guān)對應(yīng)關(guān)系,將檢測出的里氏硬度轉(zhuǎn)換為為維氏硬度值,斷裂螺栓硬度轉(zhuǎn)換見表3,表中同時(shí)給出了規(guī)范[7]對材質(zhì)硬度的要求,可見螺栓材質(zhì)硬度滿足規(guī)范要求。

表3 斷裂螺栓硬度轉(zhuǎn)換

2.4.2 螺栓強(qiáng)度理論校核

主軸密封基礎(chǔ)板螺栓在經(jīng)歷數(shù)次拆裝及機(jī)組運(yùn)行后,螺栓的局部部位力學(xué)性能已不能通過破壞性的常規(guī)拉伸試驗(yàn)來獲得,故采用硬度檢測得到硬度值,通過可靠的換算關(guān)系估算螺栓材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度,這樣得出的力學(xué)性能指標(biāo)更具有現(xiàn)實(shí)意義。而根據(jù)奧氏體不銹鋼里氏硬度與強(qiáng)度在一定程度上符合的線性關(guān)系,經(jīng)線性擬合,里氏硬度HLD與屈服強(qiáng)度σ0.2的回歸關(guān)系式為[8]:

σ0.2=A×HLD+B

(1)

式中A=3.38,B=-941.16。

里氏硬度HLD與抗拉強(qiáng)度σb的回歸關(guān)系式為:

σb=A×HLD+B

(2)

式中A=2.26,B=116.01。

上述兩式中,按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析出來的變量之間相關(guān)系數(shù)R值分別為:R0.2=0.981,Rb=0.938,R值均大于0.75,認(rèn)為擬合結(jié)果有一定的規(guī)律,R值越接近1則說明擬合程度越高。

根據(jù)斷裂螺栓硬度測試結(jié)果,換算得出螺栓抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度,表4(主軸密封基礎(chǔ)板螺栓材料性能參數(shù))中同時(shí)列出規(guī)范中對材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度?？梢钥闯?該批次螺栓相關(guān)力學(xué)性能皆能滿足規(guī)范要求。

表4 主軸密封基礎(chǔ)板螺栓材料性能參數(shù)

基礎(chǔ)板與頂蓋通過螺栓預(yù)緊連接后,基礎(chǔ)板連接螺栓受螺栓緊固預(yù)緊力和工作載荷作用,螺栓承受的軸向總荷載為[9-10]:

F=F0+FaCb/(Cb+Cm)

(3)

式中Cb和Cm分別為螺栓和被連接件的剛度,Cb/(Cb+Cm)稱為螺栓相對剛度,其取值由墊片材料決定,對于金屬墊片或無墊片一般取值為0.2～0.3。

機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況下測得頂蓋與主軸密封基礎(chǔ)板空腔內(nèi)壓力值為1 MPa,可計(jì)算得到基礎(chǔ)板整個(gè)圓周受到的軸向水壓力約為3 151.336 kN,分配到每顆螺栓上的軸向荷載為52.522 kN。由上式可得到基礎(chǔ)板螺栓受到拉應(yīng)力為:

σ=4×[F0+FaCb/(Cb+Cm)]/(πd)2

(4)

式中 螺栓預(yù)緊力F0按照設(shè)計(jì)圖紙要求為1 520 N,Fa=52.522 kN,d為螺栓小徑,M36螺栓小徑為31.68 mm。

由此可計(jì)算得出在靜應(yīng)力的狀態(tài)下,每顆螺栓承受的拉應(yīng)力為σ=21.92 MPa。

根據(jù)規(guī)范[11]要求:“所有部件的工作應(yīng)力應(yīng)不超過規(guī)定的許用應(yīng)力。除轉(zhuǎn)輪和主軸外,其余部件正常工況和過渡工況下采用經(jīng)典公式計(jì)算的斷面應(yīng)力應(yīng)不大于《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》中表2規(guī)定的許用應(yīng)力,特殊工況下采用經(jīng)典公式計(jì)算的斷面應(yīng)力應(yīng)不大于材料屈服強(qiáng)度的2/3”。按照規(guī)范表中規(guī)定,不銹鋼螺栓材質(zhì)的許用拉應(yīng)力為:

[σ]=σs/3=168.49 MPa

(5)

可見該批次螺栓如按照設(shè)計(jì)圖紙要求預(yù)緊力進(jìn)行緊固,螺栓承受的拉應(yīng)力σ將遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力[σ],滿足安全性能要求。

2.4.3 螺栓預(yù)緊方式及受力狀態(tài)分析

追溯該機(jī)組主軸密封基礎(chǔ)板螺栓裝配工藝,發(fā)現(xiàn)螺栓自機(jī)組大修以來共經(jīng)歷兩次拆裝,兩次均通過梅花敲擊扳手進(jìn)行拆卸及預(yù)緊,過程中均未對螺栓緊固力矩限制,作業(yè)人員則試圖依靠增加錘擊預(yù)緊力的方法來保證頂蓋與主軸密封基礎(chǔ)板的密封性,憑借螺栓不再轉(zhuǎn)動(dòng)為預(yù)緊到位標(biāo)準(zhǔn),而受人為敲擊力道因素的影響,主軸密封基礎(chǔ)板圓周方向60顆螺栓的預(yù)緊力存在差異,使得螺栓組的受力不均勻,基礎(chǔ)板微偏心裝配。

主軸密封基礎(chǔ)板螺栓是連接頂蓋與主軸密封基礎(chǔ)緊固件,由于螺栓預(yù)緊力差異導(dǎo)致的基礎(chǔ)板微偏心裝配,在螺栓施加預(yù)緊力裝配后,因?yàn)闄C(jī)組運(yùn)行水流過流脈動(dòng)作用,對基礎(chǔ)板產(chǎn)生無規(guī)律的脈動(dòng)沖擊載荷。同時(shí)對基礎(chǔ)板螺栓造成了無規(guī)律、不穩(wěn)定的循環(huán)交變應(yīng)力,初始預(yù)緊力也發(fā)生相應(yīng)變化,部分緊固螺栓及連接件將發(fā)生微小的相對位移或者出現(xiàn)間隙[12]。此時(shí),這部分螺栓由于連接件出現(xiàn)的相對位移或間隙,螺栓在承受軸向拉力的同時(shí),將額外承受交變剪切和彎曲應(yīng)力作用。

3 分析結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)測定參數(shù)以及充分理論綜合分析,得出導(dǎo)致主軸密封基礎(chǔ)板連接螺栓斷裂原因以下結(jié)論:

(1)斷裂螺栓金相檢測結(jié)果、硬度、力學(xué)性能等指標(biāo)均符合要求。如按設(shè)計(jì)圖紙力矩要求對螺栓預(yù)緊,該批次螺栓強(qiáng)度滿足機(jī)組運(yùn)行工況使用要求。

(2)斷裂螺栓材質(zhì)的化學(xué)成分中鎳含量低于標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值。不銹鋼中Ni元素是主要的奧氏體穩(wěn)定元素,鎳含量偏低,奧氏體的穩(wěn)定性下降,基體有由面心立方向體心四方結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變趨勢。鐵素體和馬氏體的含量增加,材料的塑韌性下降,基體的電化學(xué)性能不均勻,在承受交變應(yīng)力作用下,極易發(fā)生脆性斷裂[13]。

(3)螺栓裝配工藝。螺栓在歷次拆除及預(yù)緊過程中,由于未按照設(shè)計(jì)力矩進(jìn)行預(yù)緊,全程使用梅花敲擊扳手進(jìn)行裝配,裝配過程中安裝外力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)預(yù)緊力,產(chǎn)生一個(gè)較大的裝配拉應(yīng)力和切應(yīng)力,在螺栓與基礎(chǔ)板螺紋連接終止處形成較大的應(yīng)力集中。螺栓受到高應(yīng)力而降低了軸向抗拉強(qiáng)度及屈服值,反復(fù)拆裝也對同批次螺栓的性能造成了一定程度損傷。同時(shí),由于螺栓組受力不均勻造成的基礎(chǔ)板微偏心裝配,部分緊固螺栓及連接件發(fā)生微小相對位移或者出現(xiàn)間隙,螺栓額外承受交變剪切和彎曲應(yīng)力作用。再加之螺栓中Ni元素低的內(nèi)因共同作用,螺栓最終發(fā)生快速塑性變形后韌性過載撕裂,再次緊固及拆除過程中發(fā)生脆性快速斷裂[14]。

4 結(jié) 語

筆者根據(jù)發(fā)生在水輪發(fā)電機(jī)組重要部位主軸密封基礎(chǔ)密封板螺栓斷裂的事件,通過宏觀分析和微觀理化檢測的方式,系統(tǒng)分析了該重要部件螺栓之所以會(huì)斷裂的深層次原因?yàn)槭┕すに嚥划?dāng)導(dǎo)致的螺栓斷裂問題。這在日常施工中不是特例,施工作業(yè)人員圖一時(shí)方便而不按施工工藝進(jìn)行裝配,將對水輪發(fā)電機(jī)組投運(yùn)后的運(yùn)行埋下重大隱患。同時(shí)也挖掘出了對于水輪發(fā)電機(jī)而言除頂蓋螺栓以外又一需要重點(diǎn)關(guān)注部位的螺栓,以期望在行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生一定警示并對類似問題提供借鑒參考。