高強(qiáng)度螺栓失效分析與探討

1、水電廠高強(qiáng)度螺栓失效分析與探討楊興乾趙少勇摘要：高強(qiáng)度螺栓在水電廠運(yùn)用十分重要，2009年8月俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克水電站水輪機(jī)頂蓋固定螺栓疲勞斷裂造成的后果給了我們深刻教訓(xùn)。2013年3月思林發(fā)電廠#1機(jī)組A修時(shí)，我廠接力器基礎(chǔ)螺栓進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩顆存在缺陷的螺栓，以此為實(shí)例，我廠金屬監(jiān)督對(duì)螺栓失效進(jìn)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(guò)載失效、應(yīng)力腐蝕、及疲勞性能失效，同時(shí)提出相應(yīng)的監(jiān)督措施。關(guān)鍵詞：水電廠；螺栓；失效；強(qiáng)度一、前言螺栓是水電廠機(jī)組的重要部件，在制造過(guò)程中由于螺栓本身的材質(zhì)及控制工藝過(guò)程不當(dāng)，螺栓在長(zhǎng)期的承受應(yīng)力作用下會(huì)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(qiáng)度螺栓指的是強(qiáng)度達(dá)8.8級(jí)及以上的螺栓，一般用于水電廠和其他重要的螺栓。同時(shí)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(qiáng)度螺栓。對(duì)于我廠而言，高強(qiáng)度螺栓作為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)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(yáng)舒申斯克水電站機(jī)組長(zhǎng)期振動(dòng)超標(biāo)引發(fā)水輪機(jī)頂蓋固定螺栓疲勞斷裂，導(dǎo)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(shí)際情況及此次出現(xiàn)的接力器基礎(chǔ)螺栓探傷檢測(cè)的缺陷，本文以我廠高強(qiáng)螺栓存在缺陷的失效案例，對(duì)其常見的缺陷進(jìn)行歸類分析，以此來(lái)為同行進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)。二、我廠接力器基礎(chǔ)螺栓缺陷介紹我廠#1機(jī)

3、組A修期間，在對(duì)接力器基礎(chǔ)的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)了兩顆存在缺陷的螺栓，該螺栓規(guī)格型號(hào)為：M42x283mm,此螺栓在我廠投產(chǎn)至今已服役五年，在機(jī)組的不同檢修類別中都要對(duì)相應(yīng)的金屬監(jiān)督部件進(jìn)行探傷檢測(cè)，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(shí)也為我廠的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行打了預(yù)防針。針對(duì)我廠各部件重要螺栓的制造、安裝、運(yùn)行過(guò)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(yùn)行。以此來(lái)增強(qiáng)我們防范于未然的決心。接力器基礎(chǔ)螺栓探傷檢測(cè)報(bào)告詳見下表：?jiǎn)挝毁F州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司思林發(fā)電廠機(jī)組編號(hào)#1機(jī)組工件名稱接力器基礎(chǔ)螺栓規(guī)格型號(hào)M42x283

4、mm設(shè)計(jì)數(shù)量檢測(cè)數(shù)量38儀器型號(hào)PXUT-350儀器編號(hào)TG/SB-UT-00表面狀況光滑探頭參數(shù)探頭編p:-探頭鈿號(hào)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(zhǔn)波高檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4730.3-2005承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)耦合劑機(jī)油螺栓編號(hào)缺陷位置深度（mm）缺陷指示長(zhǎng)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(cè)結(jié)果：超標(biāo)缺陷建議更換檢測(cè)謝東記錄王星電廠配合接力器基礎(chǔ)螺栓探傷檢測(cè)報(bào)告三、失效形式分析1 .材質(zhì)缺陷在機(jī)組安裝初期，只按照標(biāo)準(zhǔn)選取符合工作要求的類型、尺寸和性能等級(jí)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(xué)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(guò)程中，由于預(yù)緊力過(guò)大等原因，螺栓材料易發(fā)生斷裂，在機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)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(yùn)行，加強(qiáng)對(duì)重要部位螺栓的安全管理、全面檢驗(yàn)甚為重要。實(shí)例介紹：2011年某大型水電站新購(gòu)一批8.8級(jí)的高強(qiáng)螺栓作為庫(kù)存?zhèn)浼湫吞?hào)直徑為M30,材質(zhì)為45號(hào)鋼。在例行的高強(qiáng)螺栓抽檢試驗(yàn)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(xué)性能不滿足GB/T3098.1-2000緊固件機(jī)械性能螺栓螺釘和螺柱標(biāo)準(zhǔn)要求，其洛氏硬度均大于35HRC,超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2

6、2-32HRC的范圍。同時(shí)，螺栓的沖擊（U型缺口試樣）功低于16J,而標(biāo)準(zhǔn)要求8.8級(jí)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(xì)微的裂紋，如圖1所示。有文獻(xiàn)曾報(bào)道過(guò)，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(guò)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(guò)載失效螺栓的過(guò)載失效是指在服役過(guò)程中發(fā)生突然瞬間的斷裂，這種失效預(yù)先并無(wú)明顯征兆，所以其危害嚴(yán)重。過(guò)載失效特征：高強(qiáng)度螺栓在水電廠的使用極為廣泛，螺栓上的螺紋實(shí)際上就同缺口一樣，應(yīng)力集中系數(shù)較高。當(dāng)其與螺母配合時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)一步提高。通過(guò)壓縮螺母?jìng)鬟f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(diǎn)，頭部和桿部交接處的應(yīng)力也較集中。因此，螺栓的過(guò)載失效而導(dǎo)致其斷裂多在這兩個(gè)部位產(chǎn)生。3 .高強(qiáng)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(shí)間越短。斷裂所需要的應(yīng)力一般低于材料的屈服強(qiáng)度。螺栓在服役中所承受的拉伸力以及在裝配中的預(yù)緊力，都是導(dǎo)致發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件。(2)必須有對(duì)材質(zhì)敏感的腐蝕介質(zhì)存在當(dāng)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)形成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，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(qiáng)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(shí)例介紹：2010年某水電廠7號(hào)、8號(hào)機(jī)組的發(fā)電機(jī)上擋風(fēng)板連接螺栓出現(xiàn)一定程度的松動(dòng)，其中7號(hào)發(fā)電機(jī)11號(hào)上擋風(fēng)板3個(gè)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(duì)7、8號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子等部件進(jìn)行了全面細(xì)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(fēng)板螺栓斷裂情形斷裂螺栓的直徑為M16,材質(zhì)為45號(hào)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(jī)通風(fēng)系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不可避免地引起上擋風(fēng)板的振動(dòng)，從而造成連接螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，長(zhǎng)期在此環(huán)境中服役容易導(dǎo)致疲勞斷裂。

9、電廠對(duì)此3個(gè)螺栓進(jìn)行了更換，并選用40Cr不銹鋼螺栓，以提高疲勞閾值,增強(qiáng)抗斷裂能力；同時(shí)對(duì)螺母與上擋風(fēng)板之間進(jìn)行點(diǎn)焊，避免斷裂時(shí)螺栓脫落而損壞發(fā)電機(jī)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?cè)诠ぷ髋c使用過(guò)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(qiáng)螺栓的缺陷主要有4類。材質(zhì)缺陷、過(guò)載失效、應(yīng)力腐蝕和疲勞性能失效。2 .在機(jī)組檢修期間對(duì)重要部件的連接螺栓進(jìn)行100%的超聲波探傷，并出具檢測(cè)報(bào)告，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確認(rèn)是否對(duì)螺栓進(jìn)行更換，確保連接螺栓100%合格。

10、3 .加強(qiáng)螺栓的采購(gòu)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(guò)程和質(zhì)量保證體系，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4 .依照螺栓使用部位、材質(zhì)、規(guī)格、投運(yùn)時(shí)間、檢測(cè)狀況建立重要螺栓臺(tái)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(duì)螺栓做好失效分析，并根據(jù)不同等級(jí)螺栓的使用壽命，到期全部更換。5 .嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，對(duì)于我廠新采購(gòu)的各種高強(qiáng)度螺栓認(rèn)真履行物資入庫(kù)驗(yàn)收手續(xù)卡，力爭(zhēng)把可能存在的事故隱患消除在萌芽狀態(tài)，驗(yàn)收卡詳見下附頁(yè)。同時(shí)，電廠要針對(duì)基礎(chǔ)薄弱的金屬專業(yè)開展人員培訓(xùn)，提高金屬材料監(jiān)督和無(wú)損檢測(cè)的能力。參考文獻(xiàn)1GB/T3098.1-2000緊固件機(jī)械性能螺栓螺

11、釘和螺柱S.2胡世炎，機(jī)械失效分析手冊(cè)M.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.3韓志良，馬紅衛(wèi)，丁燕君.高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析J.理化檢驗(yàn)一物理分冊(cè)，2003,39(9):477-480.4肖紀(jì)美.應(yīng)力作用下的金屬腐蝕M.北京.化學(xué)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(kù)驗(yàn)收卡片卡片編號(hào):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(hào)）入庫(kù)時(shí)間合格證號(hào)規(guī)格領(lǐng)用時(shí)間供貨數(shù)量入庫(kù)交貨人領(lǐng)用人鋼材的化學(xué)元素成分（重量百分比%）及常溫力學(xué)性能指標(biāo)指標(biāo)CSMnPSiCrMoVWNiTi0sMPabMPa%ak2J/cm%HB標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)際值入庫(kù)前生產(chǎn)廠家相關(guān)資料審查序號(hào)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(wú)損檢測(cè)報(bào)告、理化檢測(cè)報(bào)告（性能、金相）4耐壓試驗(yàn)報(bào)告、熱處理報(bào)告（熱處理規(guī)范）5進(jìn)口材料須有國(guó)家商檢報(bào)告6重要備品配件設(shè)計(jì)圖入庫(kù)前的質(zhì)量驗(yàn)收工作項(xiàng)目序號(hào)驗(yàn)收工作內(nèi)容檢驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)收部門檢驗(yàn)人員簽名檢驗(yàn)日期1光譜分析2無(wú)損探傷（射線、超聲波