貫流式水輪機聯軸螺栓斷裂失效分析

黃橋生，周 樂，龍 毅，楊湘偉，牟申周，萬克洋

（1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南 長沙 410007；2.凌津灘水電廠，湖南 常德 415700）

1 概 況

某水電站8號機組為30 MW貫流式燈泡水輪機組，由日本日立公司設計，國內生產制造。2000年12月投產發電，至今已累計運行4萬多h。2011年12月7日，設備巡視時發現主軸密封支架內聲響異常，停機后檢查發現水輪機大軸與轉輪連接螺栓其中一顆螺栓頭部與螺桿斷裂。

該電站水輪機設計水頭Hp=8.5 m，水輪機額定出力Pn=30.93 MPa，正向推力負荷P=4400 kN。轉輪體重量G3=780 kg。螺栓數量Z=12個，材質為S35C，規格為 M100×345×6 mm，螺釘最弱斷面積A=6478.75 mm2，預緊伸長量△L=0.3 mm。

2 斷裂原因分析

2.1 應力分析與計算

發電機組轉輪和水輪機主軸聯接法蘭上有18個孔，均分為6組，每組中包括兩個螺栓孔和一個銷釘孔。銷釘傳遞所有扭矩和承受所有剪力[1],螺栓承受軸向拉壓應力。螺栓分布如圖1所示。聯軸螺栓幾何尺寸如圖2所示。機組所受穩態載荷中對聯軸螺栓受力起作用的有軸向水推力、水輪機轉輪重力及螺栓的預緊力。

圖1 螺栓分布示意

根據受力情況，螺栓的應力計算如下:

圖2 螺栓結構示圖

（1）按每只螺栓均等承受軸向水推力考慮，在最大正向水推力作用下，每只螺栓的應力為σp=P/ZA=56.6 MPa。

（2）σb為螺栓受轉輪體重力作用下的抗拉強度。由于引起軸彎曲，從而在水輪機軸與轉體聯法蘭面產生彎矩M=G3×L=574 kN·m。聯軸螺栓轉至最高點時，σb=8.6 MPa。

（3）設計要求螺栓緊固完成后伸長量△L=0.30 mm，根據金屬材料手冊，彈性模量E=2.12×105 MPa，螺栓預應力 σ0=E×（△L/L）=184.3 MPa。 若伸長量△L=0.40，最大預應力σ0=245.8 MPa。

（4）螺栓總應力 σ=σ0+Kc（σb+σp）， 其中 Kc系數的大小與螺栓和披聯接件的材料，聯接的結構尺寸及工作載荷作用的位置有關，其值在0～1之間，當Cf＞Cl時 (如被聯接件的剛度大，采用的剛性薄墊片或采用紹l長螺栓等)，Kc趨于0；反之，Kc趨于1。此處按中間無墊片的鋼板聯接型式查得Kc=0.2～0.3，取Kc=0.3。當伸長量為0.3 mm時，螺栓的最大應力

當伸長量為0.4 mm時，螺栓的最大應力

螺栓為S35C，根據JIS G4051—1979《機械結構用碳素鋼》推薦值，屈服強度取σs=392 MPa，則:n=σs/σ=1.67。根據受 （軸向加橫向）變載荷的螺紋聯接在控制預緊力的條件下應選用安全系數為1.2～1.5，上述核算結果證明在不考慮水輪機壓力脈動載荷下，聯軸螺栓的設計符合要求。

2.2 斷口檢查及斷裂過程分析

現場對斷裂螺栓進行檢查分析，斷裂螺栓頭部及螺桿現場形貌如圖3、4、5所示，從圖可知，螺栓斷裂位置為螺栓頭根部過渡區，過渡區表面粗糙，螺栓表面布滿橙黃色銹蝕物，斷口有泥和鐵銹，且斷口陳舊，可推斷螺栓開裂應有一段時間。由圖5可知，螺栓頭部A區銹蝕明顯，頭部支承面外弧圈有長159 mm，最寬7.8 mm的平整金屬光澤區；B區銹蝕程度較輕，螺帽有擠壓摩擦痕跡，斷裂區凹陷深度較深。由此可以推斷，A區為斷裂起源區，由A區向B區逐漸擴展，并最終在B區瞬斷，因終斷區面積較小，說明螺栓不是超載斷裂。

圖3 螺栓斷裂位置

圖4 螺栓頭部宏觀形貌

圖5 螺桿宏觀形貌

圖6 擦拭后螺栓頭部斷面宏觀形貌

2.3 試驗分析

根據設計圖紙要求，S35C螺栓性能應符合JISG 4051—1979要求。取斷裂螺栓試樣1，同期服役拆卸下無缺陷螺栓試樣2分別進行金相、硬度、室溫力學性能等試驗。

2.3.1 化學成分試驗

試樣1、試樣2分別取樣進行化學成分分析。其化學成分見表1。

由表1可知，試樣的化學成分基本符合標準要求。

表1 化學成分分析%

2.3.2 室溫力學性能

在試樣1、試樣2半徑的R/2處取樣進行室溫力學試驗。其室溫力學性能結果見表2。

表2 螺栓力學性能

從試驗數據表明，試樣1、試樣2屈服強度、抗拉強度、硬度滿足標準要求，但沖擊功低于標準要求。

2.3.3 金相試驗

對試樣1及試樣2進行金相取樣分析，如圖7～12所示。圖7、8所示為試樣1橫向截面心部金相組織，組織為珠光體+網狀鐵素體；圖9、10所示為試樣1橫向截面邊部金相組織，組織為珠光體+網狀鐵素體。圖11所示為試樣2橫向截面心部金相組織，組織為珠光體+網狀鐵素體，圖12所示為試樣2橫向截面邊部金相組織，組織為回火索氏體+少量鐵素體。

圖7 試樣1心部橫截面金相組織 200×

2.3.4 掃描電鏡試驗

對螺栓斷口取樣進行電鏡分析，分析結果如圖13～16所示。圖13、14為人工加工斷面掃描電鏡及其夾雜能譜圖；圖15、16為原始斷面瞬斷區掃描電鏡及其孔內夾雜能譜圖，從圖可知，螺栓材質中含有少量Mn、S等夾雜物，斷面上有顯微孔洞。

2.4 原因分析

螺栓斷裂位置為螺栓頭根部過渡區，該位置為螺栓的應力集中區。斷裂螺栓斷口平整，無明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征。

圖8 試樣1心部橫截面金相組織 500×

圖9 試樣1邊部橫截面金相組織 200×

圖10 試樣1邊部橫截面金相組織 500×

圖11 試樣2心部橫截面金相組織500×

圖12 試樣2邊部橫截面金相組織 500×

圖13 人工斷口掃描形貌

圖14 夾雜能譜

圖15 原始斷口掃描形貌

圖16 夾雜能譜

螺栓應力復核，安全系數滿足設計要求，但實例計算證實，如果安裝不符合圖紙要求，螺栓伸長量有一定變化，螺栓承受最大應力變化較大。

斷裂螺栓邊部和心部金相顯微組織為珠光體+網狀鐵素體。網狀鐵素體的存在，破壞了組織的連續性，致使基體強度明顯降低[2]。

螺栓室溫機械性能中沖擊功不能滿足標準要求，說明螺栓韌性降低，不符合性能要求。

從斷裂螺栓掃描電鏡分析可知，電子探針試驗處有Mn、S夾雜物。螺栓承受的載荷達到一定程度，夾雜物裂開或夾雜物與金屬界面發生分離，在周圍逐漸形成顯微孔洞，這些孔洞隨形變過程不斷長大、連接，最后形成較大的裂紋，最終導致斷裂[3]。

3 總結

綜上所述，網狀鐵素體的存在，破壞了組織的連續性，致使基體強度明顯降低，螺栓服役時，Mn、S夾雜物造成基體局部應力集中而產生裂紋源是裂紋產生的內在因素。螺栓頭根部過渡區是螺栓的應力集中區，若安裝不符合要求，螺栓承受較大的應力是裂紋產生的外在因素。螺栓長期運行中，在內外因雙重作用下，最終斷裂。

4 建議

（1）對該批次螺栓全部更換，對其他機組重要螺栓進行全面檢查。

（2）新更換的螺栓，應進行仔細的檢查，注意檢查其加工精度以及螺栓的的各部位表面是否有裂紋、凹痕、表面粗糙度差等表面缺陷，其化學成分、硬度、力學性能等技術指標合格后方能裝配使用。

（3）安裝時，應注意控制螺栓伸長量，伸長量應滿足設計要求。

［1］陳松堅.10 MW燈泡式水輪機聯軸螺栓斷裂原因分析［J］.大電機技術， 1997， 6（8）:58-65.

［2］周海波，朱曉勇，鄭玉春，等.45鋼螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理， 2009， 34（12）:107-109.

［3］趙楠，穆海玲，周麗萍，等.35CrMoA鋼連桿螺栓斷裂失效分析［J］.金屬熱處理， 2008， 33（9）:112-114.