火電機組電動給水泵風扇螺栓斷裂分析

李日照，王 魯，陳志榮，陳卓婷，朱海寶

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

火電機組系統龐大，設備眾多，易發生運行異常及設備缺陷。及時消除設備缺陷或隱患是保護機組安全與經濟運行的重要環節之一[1-6]。某火電機組停機過程中，啟動電動給水泵運行時，發現設備異常。拆除電動給水泵水冷器檢查時，發現轉子冷卻風扇松脫，與轉子本體聯接的6組螺栓中5組斷裂。電動給水泵電機型號為YKS900-4 額定功率8 000 kW，額定電壓6 kV，轉速1 494 r/min，額定電流858 A。現欲對該電動給水泵轉子風扇螺栓斷裂斷裂原因進行相關試驗研究與分析，并提出預防及改進措施，以防止此類情況再次發生。

1 試驗材料及方法

試驗材料為其中一根斷裂螺栓(電廠提供)，該電動給水泵轉子風扇固定螺栓的性能等級為A2-70(表示材質為奧氏體不銹鋼，組別為A2，抗拉強度≥700 MPa)，規格為M12×25，累計運行時間為100多小時。分析方法主要包括金相組織觀察，設備型號為徠卡DMI5000金相顯微鏡；維氏硬度檢測，設備型號為沃伯特402MVD顯微維氏硬度計；掃描電鏡分析，設備型號為TESCAN VEGA3 LM掃描電子顯微鏡等。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀形貌

圖1所示為某斷裂螺栓的宏觀形貌，可見螺栓發生了明顯彎曲變形，斷口表面較平整，且明顯有從圖片右側向圖片左側發散的痕跡，可推測螺栓的起裂源在圖1所示位置處。

圖1 某斷裂螺栓的宏觀形貌

2.2 微觀形貌

圖2所示為斷裂螺栓螺牙的縱剖面形貌，其中圖2(a)為正常螺牙，圖2(b)、 2(c)為變形螺牙，圖2(d)為發生剪切變形的螺牙，圖2(e)為根部組織被擠壓變形的螺牙。可見彎曲變形處的螺牙因擠壓發生了嚴重變形、滑移以及折斷，表明該螺栓在斷裂前承受了較大的橫向剪切力，使得螺栓發生嚴重彎曲變形、開裂并最終被拉斷。

圖2 螺牙形貌

2.3 維氏硬度

對斷裂螺栓進行了維氏硬度檢驗，檢驗位置如圖3所示，檢驗結果見表1。可見，靠近斷口位置的維氏硬度值(檢驗位置2和3)明顯高于遠斷口位置(檢驗位置1和4)，且螺栓邊部的維氏硬度明顯高于心部。表明在螺栓受力變形過程中發生了明顯加工硬化，且變形越大，加工硬化程度越高。

圖3 維氏硬度檢驗位置示意圖

表1 維氏硬度檢驗結果

2.4 斷口SEM分析

對送檢螺栓的斷口進行了SEM分析，見圖4。由圖4(a)和4(b)可見，螺栓斷口緩慢擴展區有大量韌窩，具有明顯韌性斷裂特征；隨著向瞬斷區移動觀察，發現局部開始出現解理斷裂特征，表明該區域擴展加速，如圖4(c)和4(d)所示；最后瞬斷區的斷面韌窩相對較少，出現大面積平整、光滑的斷面，表明該區域大部分為解理斷裂，如圖4(e)和4(f)所示。因此，該螺栓的斷裂初始階段為韌性斷裂，之后隨著斷裂過程的進行，逐漸轉變為解理斷裂。

2.5 螺栓斷裂原因分析

與轉子本體聯接6組螺栓中有5組斷裂，斷裂螺栓斷面宏觀形貌見圖5，其中5號為送檢螺栓，其他4根斷裂螺栓圖片由可門電廠提供。由圖5(a)可見，1號螺栓斷口有明顯疲勞特征[7-11]，說明該螺栓斷裂前承受了交變應力作用并最終發生疲勞斷裂；而觀察圖5(a)—圖5(e)所示的其他幾根螺栓的斷口可見，除2號螺栓局部有疑似輕微疲勞痕跡外，3～5號螺栓均未發現明顯疲勞特征。考慮該部件運轉時間并不長，累計運行時間為100多小時，因此推測斷裂原因應是1號螺栓發生松動引起的。

圖4 斷口形貌SEM分析

圖5 斷裂螺栓的宏觀形貌

螺栓松動斷裂的情況和疲勞斷裂的情況大體相同[12-15]，螺紋緊固件在橫向振松實驗中只需100次即可松動。當1號螺栓松動后，風扇運轉過程中形成強大氣流，產生巨大的動能，這種巨大的動能直接作用于緊固件及設備，致使1號螺栓在交變應力作用下發生疲勞損壞。而1號螺栓斷裂后，由于其他螺栓處于超負載狀態，故很快也被拉斷或剪斷。其中受軸向力作用的緊固件，螺紋被破壞，螺栓被拉斷；而受徑向力作用的緊固件，螺栓被剪斷，螺栓孔被打成橢圓。隨著其他緊固件接連損壞，最終導致了設備損壞。

3 結 語

此次螺栓斷裂導致設備損壞的主要原因是1號螺栓發生松動。螺紋緊固件松動后，風扇運轉過程中形成強大氣流，產生巨大的動能，這種巨大的動能直接作用于緊固件及設備，在交變應力作用下致使該螺栓發生疲勞直至損壞變形，隨后導致其他緊固件接連損壞變形，最終導致設備損壞。在螺栓損壞變形過程中會發生明顯加工硬化現象，且變形越大，加工硬化程度越高。

建議新采購設備的緊固件應選用更高強度級別的材質并采取一定的防松措施。螺栓防松動常用防松方法有3種：摩擦防松、機械防松和永久防松。常見摩擦防松方法：利用墊片、自鎖螺母及雙螺母等。常見的機械防松方法：利用開口銷、止動墊片及串鋼絲繩等。常用的永久防松方法：點焊、鉚接、粘合等，但這種方法在拆卸時大多要破壞螺紋緊固件，無法重復使用。