淺談水輪機頂蓋緊固螺栓斷裂后螺栓強度分析

劉杉

摘要：對水輪機頂蓋緊固螺栓斷裂后的螺栓強度分析，能夠在一定程度上保護電站的安全運行。本文簡要的分析了水輪機頂蓋緊固螺栓的設計要求，并且對螺栓的檢驗方式進行了分析，探究了一些斷裂原因，并且分析了在螺栓不同的斷裂數量和斷裂位置時，對剩余螺栓的強度產生的應力影響，以螺栓斷裂數量在1根、2根、4根、8根以及螺栓在相鄰位置斷裂、90度角位置斷裂以及180度角位置斷裂等情況進行了分析。

關鍵詞：水輪機;頂蓋緊固螺栓;斷裂;螺栓強度

一、水輪機頂蓋緊固螺栓的設計要求

頂蓋緊固螺栓在工作時應當具備一定強度的預緊力，預緊力不僅可以避免頂蓋緊固螺栓在遇到較強工作載荷時發生位移，同時可以有效的提升了螺栓工件的疲勞強度。當螺栓連接之后，會產生預緊力，當螺栓受到工作載荷之后，它的預緊力會產生相應的變化，螺栓受到的總拉力并不能按照預緊力與工作拉力之和計算，應當按照以殘余預緊力和工作拉力相加的結果為準。也就是說，預緊力的安全系數應當為螺栓總載荷與螺栓的設計載荷相除的結果為準。一般當水輪機的頂蓋緊固螺栓發生斷裂是由于頂蓋螺栓超過了其疲勞強度，在發生斷裂前就已經產生了較為明顯的疲勞裂紋。因此，頂蓋緊固螺栓必須要預緊，使螺栓具有一定數值的殘余預緊力，螺栓的預緊力越高，那么螺栓的使用效果越好。預緊力的提升會使螺栓的總載荷數值升高，增加螺栓的直徑會讓螺栓的總應力減小，因此，在水輪機頂蓋緊固螺栓數目一定的情況下，增加螺栓的直徑，可以讓螺栓疲勞幾圈安全系數升高，也會讓螺栓的疲勞強度安全數值提升。

二、水輪機頂蓋緊固螺栓的檢驗分析

一般來說，在頂蓋緊固螺栓發生斷裂前，其自身內部結構應該已經產生了不同程度的疲勞裂紋，當出現疲勞裂紋之后，緊固螺栓所受到的力大部分都會集中到裂紋處，當螺栓再受到外來的載荷應力時會使裂紋繼續擴展延伸，最終導致了螺栓斷裂。同時，在符合螺栓預緊情況下時，螺栓的直徑過小，會造成螺栓實際受到的疲勞強度值大于設計安全數值，這樣會使螺栓的疲勞強度降低，也會使螺栓內部產生了疲勞裂紋，最終導致螺栓斷裂。

1、宏觀檢驗

在螺栓發生斷裂時，應當先進行初步的宏觀檢驗，對螺栓的表面完整度、光滑程度進行初步檢查，發現無明顯的外傷缺陷，也沒有發現毛刺、銹蝕點的出現。當螺栓發生斷裂時，會在螺栓斷裂處產生三個區域，疲勞源區、疲勞延伸區和瞬時斷裂區三個部分。例如對某一個斷裂螺栓進行分析時，發現該螺栓斷裂面中心部分有明顯的放射性條紋區域，并且條紋向螺栓外表面進行延伸，逆向指向裂紋產生區域，疲勞延伸區的面積較大，瞬時斷裂區的面積較小，判斷該斷裂螺栓分成疲勞延伸區以及瞬間斷裂區兩個區域。

2、化學成分分析

對斷裂螺栓的化學成分進行分析時發現，螺栓結構中的化學成分中的碳元素、硅元素、錳元素、硫元素以及磷元素等化學成分的質量分數進行檢測，發現各項數值符合合金結構鋼對各個元素含量的要求，判斷螺栓的斷裂并不是由于化學成分不合格導致的。

3、金相檢驗

在螺栓的斷裂面處，以螺栓的縱向面取金相檢驗的試樣，通過對試樣處理之后發現螺栓在顯微鏡下以網狀結構存在，同時塊狀鐵素體、珠光體具有較為明顯的魏氏組織。當對未發生斷裂的螺栓進行金相檢驗時發現，其結構內部也存在較為明顯的魏氏組織，二者均與其調質狀態不符合。

4、硬度測試

對頂蓋緊固螺栓未發生斷裂的螺栓進行硬度測試時，發現一部分螺栓的齒根芯部的縱向維氏硬度符合金屬材料的標準要求，則可以判斷螺栓發生斷裂并不是由于其硬度不足導致的。

三、水輪機頂蓋緊固螺栓斷裂后的原因分析及螺栓強度計算結果分析

1、螺栓斷裂原因分析

在對某一水輪機頂蓋緊固螺栓進行分析后發現，在螺栓未發生斷裂處的金屬材料化學成分、力學性能等條件均符合相應的要求，同時也未發現具有異常斷裂組織，判斷該部分螺栓的制造材料是符合設計標準的。水輪機頂蓋緊固螺栓一般選擇使用35鋼，這類合金鋼都需要經過嚴格的熱處理，一般需要在840到860攝氏度的環境下進行淬火熱處理，同時需要用460到520攝氏度的溫度進行回火處理，從而提升螺栓的硬度。對斷裂螺栓進行分析實驗分析可以發現，該實驗螺栓在經過熱處理后的硬度與結構強度嚴重不足，排除材料質量問題，分析是由于在進行淬火和回火過程中淬火溫度不足、回火溫度過高、淬火冷卻速度偏低以及淬火組織中具有較為明顯的非馬氏體等一系列原因導致的。由此可以分析，頂蓋緊固螺栓發生斷裂是由于對其進行熱處理時操作不過關導致的，導致螺栓受到的載荷應力過高，最終發生了脆性斷裂。

2、螺栓強度計算結果分析

對全部螺栓在正常工作環境下的螺栓強度進行分析。一般情況下，當螺栓在工作情況下，會受到來自工作載荷以及剩余預緊力兩個方面的拉應力，并且這兩種應力存在相互疊加的工作方式，當螺栓的工作載荷不斷提升時，螺栓的預緊力持續減小，在頂蓋與座環之間的夾緊力越來越小，螺栓的抗橫向拉應力的能力不足，持續工作或應力變大時，會使金屬螺栓超過其材料結構的屈服強度，最終導致了螺栓被破壞。螺栓的使用材料為42CrMo，當對其進行試驗時能夠發現，在螺栓內部的最大等效應力小于材料屈服強度數值的80%，則該螺栓的強度符合使用要求。水輪機頂蓋的受力能夠均攤到每個頂蓋禁錮螺栓上，螺栓在承受工作載荷及預緊力后，其應力最大值在螺栓中間截面附近。

當部分頂蓋緊固螺栓發生斷裂后剩余螺栓強度的分析。在螺栓工作過程中，由于在螺栓安裝過程中忽略了預緊力等因素，同時其工作環境受力環境較為復雜，導致某些螺栓會發生移動或者斷裂的情況發生。當螺栓發生斷裂后，水輪機頂蓋的剩余螺栓會面臨受力不均的情況發生，將一些斷裂螺栓應當受到的拉應力施加到剩余螺栓上，這就讓剩余螺栓的最大應力值出現了改變。斷裂螺栓位置不同，剩余螺栓的螺栓強度也是不同的，本文分別選擇了1根螺栓斷裂、2根螺栓斷裂、4根螺栓斷裂以及8根螺栓斷裂幾種較為常見的斷裂布局形式，計算出斷裂后剩余螺栓的強度，如圖1所示。

結語：根據實際的分析可以發現，當出現了螺栓斷裂后，會改變頂蓋緊固螺栓剩余螺栓的應力分布，同時根據不同斷裂位置的情況，剩余螺栓的最大應力值也是不同的。因此，水輪機的維護檢修人員需要及時對頂蓋緊固螺栓的使用情況進行檢查，排除有位移或裂紋的情況發生，對有斷裂隱患的螺栓及時進行更換，確保設備的正常使用。工作人員應當對螺栓在不同斷裂數量或者不同斷裂位置的情況進行分析，確保電站水輪機的正常運行。

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（作者單位：中國水電顧問集團雙柏開發有限公司大灣水電站）