高強度螺栓失效分析與探討

1、水電廠高強度螺栓失效分析與探討楊興乾趙少勇摘要：高強度螺栓在水電廠運用十分重要，2009年8月俄羅斯薩揚舒申斯克水電站水輪機頂蓋固定螺栓疲勞斷裂造成的后果給了我們深刻教訓。2013年3月思林發(fā)電廠#1機組A修時，我廠接力器基礎(chǔ)螺栓進行超聲波探傷檢測時發(fā)現(xiàn)兩顆存在缺陷的螺栓，以此為實例，我廠金屬監(jiān)督對螺栓失效進行了深入的分析和探討，歸納其常見的失效形式，即材質(zhì)缺陷、過載失效、應(yīng)力腐蝕、及疲勞性能失效，同時提出相應(yīng)的監(jiān)督措施。關(guān)鍵詞：水電廠；螺栓；失效；強度一、前言螺栓是水電廠機組的重要部件，在制造過程中由于螺栓本身的材質(zhì)及控制工藝過程不當，螺栓在長期的承受應(yīng)力作用下會發(fā)生緩慢的、連續(xù)的塑性變形，

2、從而使螺栓容易出現(xiàn)裂紋，高強度螺栓指的是強度達8.8級及以上的螺栓，一般用于水電廠和其他重要的螺栓。同時各種結(jié)構(gòu)的螺栓種類繁多，規(guī)格也各不相同，但均使用了不少的高強度螺栓。對于我廠而言，高強度螺栓作為機組轉(zhuǎn)動部件的連接部件和密封部件是最為常用的。2009年8月俄羅斯薩揚舒申斯克水電站機組長期振動超標引發(fā)水輪機頂蓋固定螺栓疲勞斷裂，導致發(fā)生了水電史上空前的特大事故，引起水電界金屬同行的高度關(guān)注。在此基礎(chǔ)上結(jié)合我廠的實際情況及此次出現(xiàn)的接力器基礎(chǔ)螺栓探傷檢測的缺陷，本文以我廠高強螺栓存在缺陷的失效案例，對其常見的缺陷進行歸類分析，以此來為同行進行交流和學習。二、我廠接力器基礎(chǔ)螺栓缺陷介紹我廠#1機

3、組A修期間，在對接力器基礎(chǔ)的高強度螺栓進行超聲波探傷檢測時出現(xiàn)了兩顆存在缺陷的螺栓，該螺栓規(guī)格型號為：M42x283mm,此螺栓在我廠投產(chǎn)至今已服役五年，在機組的不同檢修類別中都要對相應(yīng)的金屬監(jiān)督部件進行探傷檢測，此次發(fā)現(xiàn)接力器基礎(chǔ)螺栓存在的缺陷引起了我廠金屬監(jiān)督的深刻反思和探討，同時也為我廠的安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行打了預防針。針對我廠各部件重要螺栓的制造、安裝、運行過程中存在的問題，提出關(guān)于螺栓的質(zhì)量監(jiān)督，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。以此來增強我們防范于未然的決心。接力器基礎(chǔ)螺栓探傷檢測報告詳見下表：單位貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司思林發(fā)電廠機組編號#1機組工件名稱接力器基礎(chǔ)螺栓規(guī)格型號M42x283

4、mm設(shè)計數(shù)量檢測數(shù)量38儀器型號PXUT-350儀器編號TG/SB-UT-00表面狀況光滑探頭參數(shù)探頭編p:-探頭鈿號經(jīng)受試塊探傷靈敏度探頭15Pd卜14工件底向底向反射波調(diào)到基準波高檢測標準JB/T4730.3-2005承壓設(shè)備無損檢測耦合劑機油螺栓編號缺陷位置深度（mm）缺陷指示長度（mm）缺陷反射波幅結(jié)論備注1157/缺陷/2195/缺陷/3-38/合格/檢測結(jié)果：超標缺陷建議更換檢測謝東記錄王星電廠配合接力器基礎(chǔ)螺栓探傷檢測報告三、失效形式分析1 .材質(zhì)缺陷在機組安裝初期，只按照標準選取符合工作要求的類型、尺寸和性能等級的螺栓而沒有考慮其材質(zhì)、加工工藝和熱處理等，但螺栓的材質(zhì)、加工工藝

5、和熱處理狀態(tài)正是影響其力學性能、質(zhì)量的重要因素。因此在質(zhì)量管理中出現(xiàn)的材質(zhì)缺陷是螺栓出現(xiàn)失效的重要因素之一。在安裝過程中，由于預緊力過大等原因，螺栓材料易發(fā)生斷裂，在機組的長期運行過程中，由于高應(yīng)力的作用，螺栓材料容易產(chǎn)生疲勞斷裂，為確保安全運行，加強對重要部位螺栓的安全管理、全面檢驗甚為重要。實例介紹：2011年某大型水電站新購一批8.8級的高強螺栓作為庫存?zhèn)浼?，其型號直徑為M30,材質(zhì)為45號鋼。在例行的高強螺栓抽檢試驗中發(fā)現(xiàn)，該螺栓存在材質(zhì)缺陷。一方面該批螺栓的力學性能不滿足GB/T3098.1-2000緊固件機械性能螺栓螺釘和螺柱標準要求，其洛氏硬度均大于35HRC,超出了標準規(guī)定的2

6、2-32HRC的范圍。同時，螺栓的沖擊（U型缺口試樣）功低于16J,而標準要求8.8級別螺栓的沖擊功不低于30J。另一方面，該批螺栓的金相顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)螺牙存在細微的裂紋，如圖1所示。有文獻曾報道過，新螺栓的螺牙裂紋與滾齒成型控制有關(guān)，由于滾輪使用次數(shù)過多或是超期服役，使得滾齒加工能力下降，極可能造成螺牙裂紋的出現(xiàn)。圖1螺牙裂紋2 .過載失效螺栓的過載失效是指在服役過程中發(fā)生突然瞬間的斷裂，這種失效預先并無明顯征兆，所以其危害嚴重。過載失效特征：高強度螺栓在水電廠的使用極為廣泛，螺栓上的螺紋實際上就同缺口一樣，應(yīng)力集中系數(shù)較高。當其與螺母配合時，應(yīng)力集中系數(shù)進一步提高。通過壓縮螺母傳遞載荷的

7、螺栓，應(yīng)力最集中是在靠近螺母支承面的第一扣螺紋處。止匕外，由于螺栓的結(jié)構(gòu)特點，頭部和桿部交接處的應(yīng)力也較集中。因此，螺栓的過載失效而導致其斷裂多在這兩個部位產(chǎn)生。3 .高強度螺栓的應(yīng)力腐蝕(1)應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件必須有拉伸應(yīng)力存在。拉伸應(yīng)力越大，則斷裂所需要的時間越短。斷裂所需要的應(yīng)力一般低于材料的屈服強度。螺栓在服役中所承受的拉伸力以及在裝配中的預緊力，都是導致發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件。(2)必須有對材質(zhì)敏感的腐蝕介質(zhì)存在當應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)形成一個系統(tǒng)時，材料才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的缺陷。4疲勞性能失效影響高強度螺栓疲勞性能的因素：a、螺帽結(jié)構(gòu)的影響；b、螺紋牙溝形狀和半徑尺寸的影響；c、螺栓表面粗糙

8、度的影響；d、滾制螺紋工序的影響；實例介紹：2010年某水電廠7號、8號機組的發(fā)電機上擋風板連接螺栓出現(xiàn)一定程度的松動，其中7號發(fā)電機11號上擋風板3個連接螺栓斷裂脫落，螺母與斷裂的螺桿未找到，尾部還處于螺孔中，見圖2。該水電廠對7、8號發(fā)電機轉(zhuǎn)子、定子等部件進行了全面細致的檢查，未發(fā)現(xiàn)因螺栓斷裂脫落造成的損壞情況。圖2上擋風板螺栓斷裂情形斷裂螺栓的直徑為M16,材質(zhì)為45號鋼。宏觀檢查斷裂螺栓的斷口情況，發(fā)現(xiàn)其呈明顯的疲勞斷裂特征，疲勞源在螺栓斷口邊緣，見圖3所示。由于發(fā)電機通風系統(tǒng)在機組運行過程中會不可避免地引起上擋風板的振動，從而造成連接螺栓出現(xiàn)松動，長期在此環(huán)境中服役容易導致疲勞斷裂。

9、電廠對此3個螺栓進行了更換，并選用40Cr不銹鋼螺栓，以提高疲勞閾值,增強抗斷裂能力；同時對螺母與上擋風板之間進行點焊，避免斷裂時螺栓脫落而損壞發(fā)電機部件。圖3失效螺栓的斷口形貌四、結(jié)論與監(jiān)督建議1 .以上是我們在工作與使用過程中所遇到的不同類型的螺栓的主要失效模式及問題發(fā)生原因，可見，所有的螺栓發(fā)生失效缺陷并不是偶然的，具原因除了其材料存在問題外，其結(jié)構(gòu)問題也是主要原因之一。水電廠高強螺栓的缺陷主要有4類。材質(zhì)缺陷、過載失效、應(yīng)力腐蝕和疲勞性能失效。2 .在機組檢修期間對重要部件的連接螺栓進行100%的超聲波探傷，并出具檢測報告，根據(jù)檢測結(jié)果確認是否對螺栓進行更換，確保連接螺栓100%合格。

10、3 .加強螺栓的采購質(zhì)量，為提高螺栓的入廠合格率，金屬監(jiān)督人員應(yīng)了解其生產(chǎn)過程和質(zhì)量保證體系，嚴把質(zhì)量關(guān)，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。4 .依照螺栓使用部位、材質(zhì)、規(guī)格、投運時間、檢測狀況建立重要螺栓臺帳，做到全面監(jiān)控，不留死角。另一方面要逢停必檢，全面排查隱患，對螺栓做好失效分析，并根據(jù)不同等級螺栓的使用壽命，到期全部更換。5 .嚴把質(zhì)量關(guān)，對于我廠新采購的各種高強度螺栓認真履行物資入庫驗收手續(xù)卡，力爭把可能存在的事故隱患消除在萌芽狀態(tài)，驗收卡詳見下附頁。同時，電廠要針對基礎(chǔ)薄弱的金屬專業(yè)開展人員培訓，提高金屬材料監(jiān)督和無損檢測的能力。參考文獻1GB/T3098.1-2000緊固件機械性能螺栓螺

11、釘和螺柱S.2胡世炎，機械失效分析手冊M.成都：四川科學技術(shù)出版社，1989.3韓志良，馬紅衛(wèi)，丁燕君.高強度螺栓斷裂失效分析J.理化檢驗一物理分冊，2003,39(9):477-480.4肖紀美.應(yīng)力作用下的金屬腐蝕M.北京.化學工業(yè)出版社.1990;347-348.附：思林發(fā)電廠受監(jiān)金屬材料及受監(jiān)金屬備品配件入庫驗收卡片卡片編號:使用單位金屬材料或部件名稱使用部位生產(chǎn)廠家供貨狀態(tài)材質(zhì)（鋼號）入庫時間合格證號規(guī)格領(lǐng)用時間供貨數(shù)量入庫交貨人領(lǐng)用人鋼材的化學元素成分（重量百分比%）及常溫力學性能指標指標CSMnPSiCrMoVWNiTi0sMPabMPa%ak2J/cm%HB標準值實際值入庫前生產(chǎn)廠家相關(guān)資料審查序號資料名稱份數(shù)審查結(jié)果質(zhì)保單位資料審查人簽名1產(chǎn)品合格證2材質(zhì)證明單3無損檢測報告、理化檢測報告（性能、金相）4耐壓試驗報告、熱處理報告（熱處理規(guī)范）5進口材料須有國家商檢報告6重要備品配件設(shè)計圖入庫前的質(zhì)量驗收工作項目序號驗收工作內(nèi)容檢驗結(jié)果驗收部門檢驗人員簽名檢驗日期1光譜分析2無損探傷（射線、超聲波