范　巍　蘭春虎

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電廠脫硫增壓風(fēng)機(jī)葉輪緊固螺栓斷裂失效分析

范巍1蘭春虎2

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某電廠脫硫增壓風(fēng)機(jī)（軸流式）葉輪在使用中發(fā)生緊固螺栓斷裂失效事故，為此運(yùn)用斷口形貌、螺栓材質(zhì)、工藝尺寸、力學(xué)性能、顯微結(jié)構(gòu)等分析手段，對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行失效分析。結(jié)果表明，由于螺栓加工工藝不合格，無(wú)頭下圓角半徑，造成螺栓頭部與螺桿交接部位存在應(yīng)力集中。個(gè)別螺栓的應(yīng)力集中區(qū)域在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中形成裂紋源，并逐步發(fā)展為疲勞斷裂，后誘發(fā)其它螺栓的脆性斷裂，最終造成此次事故。

電廠；葉輪緊固螺栓；應(yīng)力集中；疲勞源；脆性斷裂；頭下圓角半徑

1　概況

某電廠脫硫增壓風(fēng)機(jī)型號(hào)：AN40e6，由成都電力機(jī)械廠制造，運(yùn)行時(shí)間1800h，環(huán)境溫度160℃。葉輪直徑4000mm，重5t，水平布置，每年定期更換。緊固螺栓型號(hào)為M30mm×110mm、8.8級(jí)，材質(zhì)為＃45鋼、經(jīng)熱處理，生產(chǎn)廠家為天津園藝橡膠密封件廠。

螺栓樣品共六根，在風(fēng)機(jī)葉輪上分布示意如圖1。為防止轉(zhuǎn)動(dòng)松脫，螺栓緊固后用鋼筋焊接在一起。

圖1　螺栓分布示意圖

2　試驗(yàn)分析

2.1斷口形貌

斷裂螺栓均從螺桿根部斷裂，對(duì)樣品斷口進(jìn)行宏觀檢查。

其中2至5號(hào)螺栓樣品，斷口形貌相似，均為平斷口。斷面呈現(xiàn)出與裂紋擴(kuò)展方向一致的放射狀線條，放射狀線條是高應(yīng)力下裂紋高速傳播的證據(jù)，方向與外界主應(yīng)力一致，裂紋源即為主應(yīng)力區(qū)域，說(shuō)明螺栓樣品在高應(yīng)力下發(fā)生瞬時(shí)脆性斷裂。圖2為2號(hào)～5號(hào)螺栓脆性斷口宏觀形貌圖。

圖2　2號(hào)～5號(hào)螺栓脆性斷口宏觀形貌

圖3　1號(hào)螺栓樣品斷口宏觀形貌

圖4　6號(hào)螺栓樣品斷口宏觀形貌

圖5　6號(hào)螺栓斷口清晰的貝紋狀疲勞條紋

圖6　斷口示意圖

圖7　普通螺栓頭下圓角半徑示意圖

圖8　同批次螺栓對(duì)照?qǐng)D

1號(hào)螺栓樣品斷口宏觀形貌如圖3。斷面起伏較大，棱角尖銳，形態(tài)與脆性斷口的撕裂棱相似。螺桿部位有擦傷的痕跡，說(shuō)明該螺栓在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生脆性扭斷，而后繼續(xù)運(yùn)行，造成螺桿部位的碰撞擦傷。

6號(hào)螺栓為第一個(gè)斷裂的螺栓，斷口宏觀形貌如圖4。斷口呈現(xiàn)出明顯的疲勞斷裂的特征，斷面有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)。

將1號(hào)～6號(hào)螺栓斷口在低倍顯微鏡下逐一進(jìn)行觀察，6號(hào)螺栓斷口可見(jiàn)清晰的貝紋狀的疲勞條紋，如圖5，有規(guī)則的間距，垂直于裂紋的擴(kuò)展方向，每個(gè)條紋對(duì)應(yīng)一次應(yīng)力循環(huán)，圓弧的中心即為疲勞裂紋源，即主應(yīng)力區(qū)域。明顯的貝紋狀疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，是疲勞斷口最重要特征區(qū)域。圖6為斷口示意圖。

2.2工藝尺寸檢驗(yàn)

取同批次完好螺栓進(jìn)行加工工藝尺寸檢驗(yàn)。根據(jù)GB/T 3105-2002《普通螺栓和螺釘頭下圓角半徑》的規(guī)定，M30mm×110mm螺栓應(yīng)加工出最小半徑1mm的頭下圓角半徑，示意如圖7。對(duì)照同批次螺栓實(shí)物，如圖8，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，同批次螺栓連同斷裂螺栓均無(wú)頭下圓角半徑，易在螺栓頭部與螺桿根部的交接面，即此次螺栓斷裂面，造成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中區(qū)域一旦有夾雜、微裂紋等缺陷存在，極易在螺栓高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中形成裂紋源，誘發(fā)螺栓斷裂。

2.3成分分析實(shí)驗(yàn)

對(duì)6號(hào)螺栓進(jìn)行成分分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果單位：%

經(jīng)成分分析，螺栓化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)＃45號(hào)鋼的規(guī)定。

2.4硬度實(shí)驗(yàn)

螺栓取樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

螺栓硬度符合GB/T3098.1-2000《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.5沖擊實(shí)驗(yàn)

在斷裂的螺柱上取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

圖9　500×金相組織

螺栓的沖擊吸收功符合GB/T3098.1-2000《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.6金相組織

在6號(hào)螺栓螺柱斷口表面取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，金相組織為：少量鐵素體+回火索氏體，組織正常，見(jiàn)圖9。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1根據(jù)成分分析結(jié)果，第一個(gè)斷裂的#6螺栓的化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，螺栓的斷裂失效與材質(zhì)無(wú)關(guān)。

3.2經(jīng)沖擊試驗(yàn)，螺栓的沖擊吸收功符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.3經(jīng)硬度試驗(yàn)，螺栓硬度值符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。螺栓斷裂失效與力學(xué)性能無(wú)關(guān)。

3.4經(jīng)加工工藝尺寸檢查，螺栓加工工藝不合格。螺栓無(wú)頭下圓角半徑，極易在頭部與螺桿交接部，即此次螺栓斷裂面，造成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中區(qū)域一旦有夾雜、微裂紋等缺陷存在，極易在螺栓高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中形成裂紋源，誘發(fā)螺栓斷裂。

3.5經(jīng)金相檢驗(yàn)，螺栓金相組織為鐵素體+回火索氏體，組織合格。

3.6經(jīng)斷口檢查，1號(hào)螺栓斷口為扭斷斷口，該條螺栓在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中被扭斷撕裂。2-5號(hào)螺栓為脆性平斷口，在高應(yīng)力下發(fā)生瞬時(shí)斷裂。6號(hào)螺栓斷口為疲勞斷口，斷面有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)，其中明顯的貝紋狀疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，是疲勞斷口最重要特征區(qū)域。6號(hào)螺栓為第一個(gè)斷裂螺栓。

3.7低倍顯微鏡下的斷口形貌進(jìn)一步證實(shí)了6號(hào)螺栓的疲勞斷裂。

3.8由以上分析可見(jiàn)，由于螺栓加工工藝不合格，造成螺栓頭部與螺桿交接部存在應(yīng)力集中。6號(hào)螺栓由于存在疲勞斷裂源而最先斷裂，之后葉輪帶動(dòng)其余緊固螺栓繼續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，1號(hào)螺栓迅速發(fā)生扭斷后，其余4條螺栓無(wú)法繼續(xù)承受超出自身承受范圍的高應(yīng)力而發(fā)生瞬時(shí)斷裂，最終造成此次失效事故。1至5號(hào)螺栓由于在相同部位存在應(yīng)力集中，加快了此次斷裂失效進(jìn)度。

4　結(jié)語(yǔ)

此次脫硫增壓風(fēng)機(jī)葉輪緊固螺栓失效事故為疲勞斷裂引發(fā)的脆性斷裂。經(jīng)各項(xiàng)分析，排除材質(zhì)、力學(xué)性能、顯微組織等原因，螺栓的早期失效，是由于加工工藝不合格，造成螺栓頭部與螺桿交接部存在應(yīng)力集中，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，6號(hào)螺栓由于形成疲勞斷裂源而最先斷裂。之后葉輪帶動(dòng)其余緊固螺栓繼續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于在相同部位存在應(yīng)力集中，加快了脆性斷裂進(jìn)度，致使1號(hào)螺栓迅速發(fā)生扭斷后，剩余4條螺栓無(wú)法繼續(xù)承受超出自身承受范圍的高應(yīng)力而發(fā)生瞬時(shí)斷裂，最終造成此次失效事故。

范巍（1984—），女，碩士，國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院。