汽輪機中壓調節閥閥座螺釘斷裂失效分析及改進

趙健雄，王剛，張邦強

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

汽輪機中壓調節閥閥座螺釘斷裂失效分析及改進

趙健雄，王剛，張邦強

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章為解決部分機組大修時發現的調節閥內六角螺釘斷裂的問題，進行了包括理化試驗、金相檢查、結構分析、裝配檢查等多方面的原因分析，并針對分析原因，對螺釘結構進行了優化，對安裝要領進行了完善，有效減少了類似情況的發生。

螺釘，斷裂，分析，改進

0 引言

某電廠進行汽輪機組大修時發現數根中壓調節閥內六角螺釘發生斷裂，該螺釘材料為20Cr1Mo1VNbTiB，使用溫度為566℃。為了找出螺釘斷裂的真正原因，杜絕類似事故的再次發生，進行了一系列的分析和試驗工作，并針對問題原因制定了糾正和預防措施。

1 試驗

1.1 試驗準備

收集的3個螺釘樣品的外觀形貌如圖1～2所示。從圖中可以看出斷裂部位是螺釘頭與螺桿的過渡段，根據樣品規格，最終決定從樣品上取樣進行檢測分析，檢查項目如表1所示。

表1 樣品取樣項目

圖1 斷裂螺桿與螺釘頭外觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 試驗分析情況

1.2.1 化學成分分析

為了驗證螺釘材質，首先通過直讀光譜儀對斷裂螺釘進行了化學成分測試，試驗結果如表2所示。

經過比對，檢查所得的螺釘材料化學成分符合20Cr1Mo1VNbTiB的各項要求，螺釘所使用的材料材質沒有問題。

1.2.2 金相檢驗

接下來對斷裂螺釘縱向切面進行金相檢驗，通過顯微鏡觀察，切面所呈現的組織類型為回火貝氏體，螺桿和螺釘頭晶粒度為3級，具體照片如圖3所示。

圖3 螺釘頭、螺桿晶粒度

1.2.3 力學性能試驗

為了驗證力學性能，使用2#斷裂螺桿加工了一個拉伸試樣進行拉伸試驗，并在2#螺桿和3#螺桿各取1個硬度試樣進行了硬度測量。試驗結果如表3所示。同時在螺桿部位取試樣進行了布氏硬度測試，試驗結果見表4。

表3 2#樣品材料拉伸性能試驗結果

表4 硬度試驗結果

從力學性能測試結果上看，2#斷裂螺桿的強度和硬度均較高，沒有出現預計中的樣品材料強度偏低的現象。

綜合上述理化分析實驗，該批螺釘的理化性能符合標準要求，不是螺栓斷裂的主要原因。1.2.4斷裂螺釘結構尺寸測量

表2 化學成分分析結果

理化分析之后，接下來通過對結構尺寸進行檢測判定其是否滿足要求。將該失效螺釘解剖之后，在螺釘頭縱剖面上測量了螺釘頭關鍵結構尺寸，結果如圖4～6所示。

圖4 螺釘頭縱剖面放大圖

圖5 螺釘頭與螺桿結合處示意圖

圖6 螺釘頭關鍵尺寸測量（六角沉孔錐形底部傾斜角為22.6°，退刀槽底部距螺釘頭底部9.3 mm）

根據圖6測量數據計算，沉孔錐形底部距螺釘頭底的垂直距離僅為5.1 mm，并且螺釘頭與螺桿結合處圓角半徑較小，僅為0.8 mm左右，數值偏小，對螺釘強度影響較大。

1.2.5 模擬試驗

為了更全面地分析螺釘斷裂原因，根據螺釘尺寸加工了2根試驗件，借用圖號為D600B-261000A013。為了適應拉伸試驗要求，對此圖進行適當修改，將螺釘頭與螺桿處R加工為R6.5。修改后圖樣及試驗件如圖7所示。

圖7 試樣模擬圖樣及試驗件外觀

拉伸試驗過程中，在拉力逐漸增大過程中，試驗件桿部出現了頸縮現象，拉力試驗中止，最大拉力為315 kN，依據頸縮前實測直徑，材料抗拉強度為1 002 MPa。頸縮試樣如圖8所示。

圖8 頸縮后的試樣

對該試驗件的R圓角處進行了重新加工，將R值減至1 mm，重新將試樣裝卡進行拉伸試驗，最大拉力增至284 kN時，試樣發生斷裂，斷裂試樣如圖9所示，斷裂方式為純剪切撕裂。

圖9 斷裂后試樣

從上述試驗事實可以看出，圓角R對螺栓構件的整體強度影響較大，當R由5 mm減至1 mm后，應力集中效應較為明顯。在R值為5 mm時，螺栓最薄弱處為直徑較細的螺桿處，而當R值減小為1 mm時，螺栓最薄弱環節位于螺釘頭與螺釘桿接合處R部位。

2 車間調查

根據以上試驗，為了解螺釘實際生產中的尺寸和裝配情況，進行了車間調查，調查主要關注以下4個方面：（1）螺釘頭與螺桿接合部圓角R尺寸；（2）螺釘頭內六角深度尺寸；（3）螺釘安裝時力矩扳手使用情況；（4）螺釘安裝后斂縫情況調查。

2.1 螺釘頭與螺桿接合部圓角R尺寸

在總裝車間隨機抽查2種圖號的螺栓，對其R部位用R1.5的R規進行檢查（公司目前無R= 1.6的R規），以小于R1.5為不合格。檢查結果見表5，檢查中合格率最低的一種螺栓只有19%。

表5 抽查結果

2.2 螺釘頭內六角深度尺寸

在送入總裝車間的圖號為D600B-261000A013的螺栓中隨機抽查12件，用深度卡尺測量其六角沉孔深度尺寸，結果見表6。

表6 D600B某螺栓隨機抽查結果mm

從表6可以看出，內六角沉孔深度全部偏大，導致沉孔錐形底部距螺釘頭底的垂直距離偏小，螺栓的強度降低。

2.3 螺釘安裝時力矩扳手使用情況

在閥門總裝場地現場查看了作業記錄并對操作者進行詢問，了解到裝配時沒有使用力矩扳手把緊螺栓，同時在產品圖紙上也只對部分螺栓裝配提出了力矩要求。

2.4 螺釘安裝后斂縫情況調查

在閥門總裝場地對現場正在裝配的閥門進行檢查以驗證螺孔位置度問題。現場裝配的閥芯部件斂縫按照操作指導書進行，能夠符合圖紙要求；但是螺孔位置度及沉孔與螺孔同心度差，如圖10所示。

圖10 沉孔、螺孔同心度示意圖

B寬度-A寬度=2-0=2 mm，由于位置度偏差達到2 mm，使斂縫工作變得很困難，最終導致斂縫質量達不到圖紙要求。

3 分析與結論

閥門內六角螺釘（20Cr1Mo1VNbTiB）斷裂均發生在螺釘頭與螺桿結合處，斷口均為脆性瞬時斷裂，形貌基本一致。

通過對失效螺釘材料的理化試驗分析，可以判定材料化學成分合格無誤，強度未出現偏低現象，非螺釘斷裂根本原因；雖然金相檢查顯示存在3級晶粒度，但未出現宏觀粗晶現象，而理化檢驗經驗中，只有在20Cr1Mo1VNbTiB出現大面積宏觀粗晶時會引起材料韌性下降，僅僅3級晶粒度不會引起明顯的脆性增加，所以晶粒度稍粗也不是導致螺釘斷裂的根本原因。

從螺釘頭結構關鍵尺寸的測量結果可以看出，該失效螺釘頭部與螺桿接合處R角半徑較小，不足1 mm，易引起應力集中，同時沉孔較深，沉孔錐形底部與螺釘頭底部邊緣垂直距離僅為5.1 mm，僅為螺桿直徑的1/4。由于沉孔太深，使螺釘頭部有效承力面積很小。從螺釘結構分析，該處主要承受剪切應力，而材料剪切極限一般為抗拉強度的0.6～0.8。因此，螺釘頭與螺桿結合處成為該螺釘整體強度最為薄弱的位置，此缺陷為螺釘斷裂的主要原因。該批斷裂螺釘斷裂位置以及斷裂面貫穿沉孔底部的現象也驗證了這一點。

此外，如果在裝配過程中預緊力過大，也會增加螺釘頭部與螺桿過渡區的內應力，降低螺釘使用性能。

4 改進及效果檢查

為了防止問題再次發生，根據分析結論，進行了以下改進工作：（1）將螺釘頭與螺桿結合部位圓角R由原設計R1.6增大為R2.5，并明確該處制造后需要進行重點檢查；（2）螺釘頭內六角底孔在圖紙中增加“內六角沉孔加工為平底，鉆尖直徑的技術要求，控制內六角孔的深度；（3）工藝部門增加鉆模工裝，保證閥門螺孔加工同心度；（4）為裝配班組配備力矩扳手和制作力矩工裝，并對操作人員進行培訓。

通過以上改進，同類型的機組投運已經5年，現在未再次發生閥門螺釘斷裂脫落質量問題。

[1]董宇.汽輪機高壓主汽門螺栓斷裂失效分析[J].華電技術, 2011,33(7):26-27

[2]DL/T 439—2006火力發電廠高溫緊固件技術導則[S].北京:中國電力出版社,2006

圖10 實際輪廓與名義型線比較結果

4 結語

通過對菌型葉根銑刀的非接觸式自動檢測方法的研究，為菌型葉根銑刀和轉子輪槽銑刀的尺寸測量提供了一種行之有效的測量方法，也為提高刀具的生產效率，保證產品的性能和質量提供了有效的保障。

參考文獻

[1]沈維.非接觸顯微圖像測量儀[J].軍民兩用技術與產品, 2002,（12）:36

[2]馮之敬.機械制造工程原理[M].北京:清華大學出版社, 2008

Analysis and Improvement of Bolts Broken Used for Steam Turbine IP Control Valve Seat

Zhao Jianxiong，Wang Gang，Zhang Bangqiang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to resolve the problem of bolts broken used in the IP control valve occurred during the overhaul of some units, some tests including the mechanical&chemical examination,metallographic examination,structure analyzing and installation checking etc.were done to analyze causes based on the result,the paper talked about the improving measure on bolts structure and key points of installation,which obviously decreased rates of defects occurring.

bolts,break,analysis,improvement

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.012

TK246

B

1674-9987（2015）04-0056-05

趙健雄（1981-），男，工程師，2004年畢業于西華大學機械設計制造及自動化專業，現主要從事質量管理和檢驗技術工作。