汽轮机组高调阀油动机支架固定螺栓断裂分析研究.pdf

第42 卷第 2 期2023 年 6 月青海电力QINGHAI ELECTRIC POWERJUN.，2023Vol.42 NO.2DOI:10.15919/ki.qhep.2023.02.010汽轮机组高调阀油动机支架固定螺栓断裂分析研究吕 磊，涂安琪，谢利明，宋 楠（内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020）摘 要：某电厂汽轮机运行过程中 1 号高压调速汽阀油动机机架固定螺栓发生断裂失效。为查明螺栓断裂原因，利用宏观分析、化学成分分析、力学性能检测、显微组织检测及断口微区形貌分析等试验方法对断裂的螺栓进行了综合性检测分析。本次汽轮机高压调速汽阀油动机机架固定螺栓断裂的主要原因为螺栓刚性杆向螺纹过渡的第一扣螺纹牙底处属于螺栓应力最为集中部位，在驱动高压调速汽阀频繁动作过程中产生的脉动冲击载荷作用下，螺纹牙底部位发生疲劳开裂形成裂纹源，并在脉动冲击载荷作用下以疲劳形式扩展，最终导致螺栓整体断裂失效。关键词：螺栓；裂纹；疲劳开裂；失效分析中图分类号：TG115 文献标志码：B 文章编号：1006-8198（2023）02-0053-04Analysis and Research on Fracture of Fixed Bolt of Support for High Profile Valve Oil Motor of Steam Turbine UnitLU Lei,TU Anqi,XIE Liming,SONG NanAbstract:During the operation of steam turbine in a power plant,the fixed bolt of oil motor frame of No.1 high pressure speed regulating steam valve broke and failed.In order to find out the cause of bolt fracture,a comprehensive analysis of the broken bolts was carried out by means of macroscopic analysis,chemical composition analysis,mechanical property detection,microstructure detection and fracture microtopography analysis.The main reason for the breakage of the fixed bolt of the oil motor frame of the steam turbine high pressure speed regulating valve is that the first thread bottom of the bolt rigid rod transitioning to the thread belongs to the most concentrated part of the bolt stress.Under the action of the pulsating impact load generated during the frequent operation of the high pressure speed regulating valve,fatigue cracking occurs at the bottom of the thread and forms a crack source.It expands in the form of fatigue under the action of pulsating impact load,and finally causes the whole bolt to break and fail.Keywords:bolt;crack;fatigue cracking;failure analysis0 引言某火电厂汽轮发电 1 号机组在运行过程中高压调速汽阀油动机机架固定螺栓发生断裂失效，该螺栓材质规格为 M20110 mm，35CrMoA。35CrMoA 属于中碳合金调质钢，具有很高的静力强度、冲击韧性及疲劳极限，一般可在高中频表面淬火或淬火及回火后使用，常用在曲轴、齿轮、紧固件螺栓、发动机主轴等承受冲击、弯扭、高载荷等重要零部件1-3。该汽轮机组的收稿日期：2022-12-17；修回日期：2023-03-13作者简介：吕 磊（1990），男，硕士，工程师，现从事承压设备及电网材料无损检测工作。54第 42 卷青海电力型号为 CZK300/259-16.67/0.4/538/538 亚临界参数、一次中间再热、单轴、抽汽式直接空冷汽轮机。为查清该汽轮机组高压调速汽阀油动机机架固定螺栓断裂原因，对断裂的螺栓进行了综合性失效原因分析。1 试验材料及方法采用宏观形貌分析、断口形貌分析、化学成分分析、金相组织分析、力学性能测试等检测分析方法对断裂螺栓进行综合分析测试，确定其断裂机理和失效原因4-7。2 试验结果及分析2.1 宏观形貌观察与分析对断裂的高压调速汽阀油动机支架螺栓进行宏观形貌观察8-10。断口位于螺栓刚性杆向螺纹过渡的第一扣螺纹牙底处。断口垂直于螺杆，断口较为齐平，未见明显的塑性变形；断口上起裂区、扩展区及最后瞬断区等特征区域较为明显。开裂起源于螺纹牙底处，扩展区疲劳条纹清晰可见，瞬断区存在明显剪切唇；断口表面未见明显的结晶状形貌，断口及附近未见明显的机械损伤及原始缺陷，如图 1 所示。（a）断裂螺栓整体（b）螺栓断口形貌图 1 断裂高压调速汽阀螺栓宏观形貌2.2 断口形貌分析利用扫描电子显微镜（SEM）对高压调速器阀油动机支架螺栓断口进行微观形貌观察，如图 2 所示。断口的初始断裂区未见夹杂物、沿晶开裂、明显的机械损伤及腐蚀损伤等异常状态；扩展区可以观察到典型的调质钢疲劳条带；瞬断区螺栓断口表面呈现晶粒状，可以看到很多反光的小平面，这些小平面为解理面，解理面是一组相互平行但高度不同的晶面，形成解理台阶，解理台阶相互汇合，形成河流花样，呈现明显的准解理断裂特征。（a）初始断裂区（b）裂纹扩展区（c）裂纹瞬断区图 2 螺栓断口微观形貌2.3 显微组织检测与分析按照 DL/T 8842019火电厂金相检验与评定技术导则要求，利用 Axio Observer.Alm型金相显微镜，对断裂的螺栓取样进行显微组55第 2 期吕 磊，等：汽轮机组高调阀油动机支架固定螺栓断裂分析研究织检测，确定其金相组织有无异常11-12。在高压调速汽阀油动机支架螺栓断口处取样进行显微组织检测，如图 3 所示。螺栓螺纹处及心部的组织均为回火索氏体+少量铁素体；螺纹表面未见明显脱碳层及微观裂纹等缺陷。（a）螺纹（b）螺纹区高倍（c）心部高倍图 3 断裂螺栓显微组织2.4 化学成分分析按照 GB/T 111702008不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）要求，利用SPECTROMAXx型台式直读光谱仪，对断裂的高压调速汽阀螺栓取样进行化学成分检测，化学分析结果见表 1。螺栓中化学成分的含量均符合标准要求。表 1断裂螺栓化学成分检测结果/%检测元素DL/T 4392018实测值C0.32 0.400.36Si0.17 0.370.3Mn0.40 0.700.63Cr0.80 1.101.02Mo0.15 0.250.19Cu 0.250.04P 0.0250.006S 0.0250.0022.5 力学性能检测与分析按照 GB/T 231.12009金属材料 布氏硬度试验 第 1 部分：试验方法标准方法，利用THBC-3000DA 型图像处理式布氏硬度计对高压调速汽阀油动机支架螺栓进行硬度检测，确定其硬度是否符合标准要求13-14。对断裂的高压调速汽阀油动机支架螺栓取样进行硬度和冲击韧性检测，由于螺栓尺寸所限，无法进行拉伸性能测试，硬度测试结果如表 2 所示。该螺栓的硬度、冲击韧性均符合标准要求。表 2断裂螺栓力学性能检测结果检测项目布氏硬度/HBW冲击吸收能量 Kv/JDL/T 4392018241 285 47实测值2641813 试验结果分析从断口形貌分析，高压调速汽阀油动机支架螺栓断裂于螺栓刚性杆向螺纹过渡的第一扣螺纹牙底处。断口较为齐平，未见明显的塑性变形；开裂起源于螺纹牙底处，呈现典型的疲劳断裂特征形貌。从化学成分分析，高压调速汽阀油动机支架螺栓的化学成分符合标准要求，不存在材质错用的情况。从显微组织分析，高压调速汽阀油动机支架螺栓螺纹处及心部的组织均未见明显异常；螺纹表面未见明显脱碳层及微观裂纹等缺陷。56第 42 卷青海电力从力学性能分析，高压调速汽阀油动机支架螺栓的硬度、冲击韧性均符合标准要求。从受力角度分析，高压调速汽阀油动机支架螺栓刚性杆向螺纹过渡的第一扣螺纹牙底处属于应力最为集中的部位，油动执行机构频繁动作产生脉动冲击载荷作用下，易在螺纹牙底的应力集中部位形成裂纹源，并在反复的脉动冲击载荷作用下以疲劳形式扩展，直至螺栓整体断裂失效。综上分析，本次 1 号汽轮机高压调速汽阀油动机机架固定螺栓断裂的主要原因为：螺栓刚性杆向螺纹过渡的第一扣螺纹牙底处属于螺栓应力最为集中部位，在驱动高压调速汽阀频繁动作过程中产生的脉动冲击载荷作用下，螺纹牙底部位发生疲劳开裂形成裂纹源，并在脉冲击载荷作用下以疲劳形式扩展，最终导致螺栓整体断裂失效。4 讨论火力发电厂汽轮机螺栓是汽轮机组重要零部件，直接影响汽轮机组安全稳定运行。高温紧固螺栓在运行过程中承受冷、热紧固应力；温度分布不均匀引起的热应力；蒸汽压力；安装不当引起的弯曲应力，加上运行工作环境恶劣，容易引起断裂失效。火力发电厂高温紧固螺栓分为刚性螺栓以及柔性螺栓。前者在拧紧状态下，螺栓伸长变形主要集中在螺栓牙底，允许的变形量较小，螺纹处的应力集中更为明显。后者在拧紧状态下，螺栓伸长变形主要集中在螺杆，允许变形量较大，应力状态良好。螺栓存在 3 处应力集中部位，即螺母啮合的第一个螺纹牙底、退刀槽、螺栓头与螺杆之间的截面突变处15。此次断裂螺栓为刚性螺栓，且螺纹牙底未加工成圆弧，形成较大应力集中，在阀门频繁动作中承受较大交变应力，在应力集中部位产生裂纹源，并迅速扩展，当螺栓强度无法满足工况要求时，引起螺栓断裂失效。建议利用检修周期排查其他高温紧固螺栓是否存在开裂现象，发现问题及时更换处理；其次，加强螺栓入库管理，采用圆滑过渡的螺纹牙底柔性螺栓，采用扭矩扳手紧固螺栓，使螺栓受力均匀，减少附加应力；最后应优化油动机的运行方式，避免油动机频繁动作形成疲劳工况，防止再次造成类似螺栓断裂失效。参考文献：1 李梦阳.某 600MW 亚临界机组 2Cr13 钢螺栓的断裂失效分析 J.金属热处理,2021,46(11):250-253.2 郑 建 军,樊 子 铭,刘 孝,等.汽 轮 机 组 阀盖 紧 固 螺 栓 断 裂 失 效 分 析 J.金 属 热 处理,2021,46(10):262-266.3 王华刚.汽轮机螺栓断裂失效分析 J.设备管理与维修,2021，42(20):20-21.4 高贝贝,陈 拓,李德波.汽轮机高压调汽阀螺栓断裂失效分析 J.发电设备,2021,35(05):349-352.5 陶 康 宁,初 希,邹 宝 诚,等.20Cr1Mo1VTiB中 压 调 门 螺 栓 断 裂 失 效 分 析 J.机 械 设计,2020,37(S2):125-127.6 吕 磊,涂安琪,张 涛.汽轮机主汽阀高温紧 固 螺 栓 断 裂 原 因 分 析 J.内 蒙 古 电 力 技术,2020,38(03):80-82.7 梁晓辉,任书旺,赵轶鹏,等.42CrMo 合金钢螺栓的断裂失效分析J.热加工工艺,2020,49(10):162-164.8 李明超,张 号,曾 强,等.长期服役后 12%Cr高温螺栓断裂失效分析 J.热加工工艺,2022，51(20):162-166.9 周恩明.42CrMo 钢制螺栓断裂失效分析 J.金属热处理,2019,44(11):241-244.10 田 浩,傅 国 如,陈 荣,等.某 航 空 发动 机 镀 镉 螺 栓 断 裂 失 效 分 析 J.金 属 热 处理,2019,44(S1):182-185.11 孙兴新.汽轮机高中压转子大轴联轴器螺栓断裂失效分析 J.热加工工艺,2019,48(18):178-182.12 魏文斌,王 鑫.柴油机润滑油泵高强度螺栓断裂失效分析 J.金属热处理,2019,44(02):234-238.13 吴红辉,王 韦.20Cr1Mo1VNbTiB 高温螺栓断裂失效分析J.华电技术,2018,40(10):27-29+32+77.14 李茂林,浦承皓,等.35VB 钢高强螺栓断裂失效分析 J.热加工工艺,2017,46(18):259-263.15 乔立捷.汽轮机螺栓的材料特性与失效研究 D.华北电力大学（北京）,2009.本文编辑：黄海川