油動機底座連接螺栓斷裂原因

劉嘉偉, 王天劍, 劉禹炯

(1.長壽命高溫材料國家重點實驗室, 德陽 618000； 2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司, 德陽 618000)

油動機作為一種液壓裝置機構，以其慣性小、驅動力大、動作快、可靠性高等優點廣泛應用于汽輪機閥門的調節，繼而達到控制機組安全運行的目的[1]。某電廠機組投運時間5 a(年)左右，在檢修時發現中壓調節閥油動機底座的連接螺栓斷裂。調節閥安裝在汽輪機的每個中壓進汽管道上，閥碟通過閥桿和連接件與油動機的活塞連接，油動機通過活塞上下運動控制閥門開合，油動機底座的連接螺栓在閥門開合動作時承受循環沖擊載荷。斷裂螺栓的材料為35CrMoA鋼，規格為M30，性能等級為8.8級，表面鍍鋅處理，螺栓斷裂位置如圖1所示。為查明連接螺栓的斷裂原因，筆者對其進行了檢驗與分析。

圖1 螺栓斷裂位置示意圖Fig.1 Diagram of fracture location of the bolts

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

在油動機同側位置，油動機底座連接螺栓斷裂兩根，取其中一根進行分析。圖2為斷裂螺栓的宏觀形貌，可見斷裂發生在較短螺紋端部(插入底座一端)第一齒位置，該處為螺栓應力集中較大的區域。圖3為斷裂螺栓斷口的宏觀形貌，可以明顯看到斷口分為3個區域，裂紋源區、裂紋擴展區及瞬斷區。整個斷面除了瞬斷區外，其余區域較為平滑，斷面與螺栓中軸線基本垂直。裂紋源區范圍較大，肉眼可見存在多個裂紋源；裂紋擴展區可以看到非常明顯的貝紋線，貝紋線較為細密。從斷裂螺栓的斷口宏觀分析可知，螺栓的斷裂類型為高周疲勞斷裂[2]。

圖2 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt

1.2 化學成分分析

從斷裂螺栓上截取試樣，采用ARL 34600135型直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果見表1。可見斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中對35CrMoA鋼的成分要求。

圖3 斷裂螺栓斷口的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

1.3 力學性能試驗

為驗證螺栓的力學性能是否滿足標準要求，從斷裂螺栓上取樣，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進行室溫拉伸試驗、沖擊試驗和硬度試驗，試驗結果見表2，可見斷裂螺栓的強度滿足設計要求，但硬度偏下限值。

表1 斷裂螺栓的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

表2 斷裂螺栓的力學性能試驗結果Tab.2 Mechanical properties test results of the fractured bolt

1.4 金相檢驗

在螺栓上截取試樣,經鑲嵌、打磨、拋光后用4%(體積分數)的硝酸酒精溶液進行浸蝕，采用光學顯微鏡觀察其顯微組織形貌，如圖4所示。可見該螺栓心部的顯微組織存在一定的帶狀偏析，其顯微組織為回火索體+塊狀鐵素體，晶粒度為7級。

1.5 掃描電鏡分析

斷裂螺栓的斷口經無水酒精超聲波清洗、干燥后，置于JSM-6490LV型掃描電鏡(SEM)下進行觀察。斷裂螺栓斷口的SEM形貌如圖5所示，可見斷口邊緣有多條明顯裂紋，從邊緣向中心擴展，呈現多源開裂的特點。裂紋擴展區存在疲勞條帶，間距較小，呈現出受到高周應力跡象。瞬斷區出現解理臺階，呈現出失穩斷裂的脆性斷裂特征。

圖4 斷裂螺栓的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the fractured bolt

圖5 斷裂螺栓斷口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of the fractured bolt: a) the final fracture area, at low magnification; b) the final fracture area; at high magnification; c) the crack growth area; d) the crack source area

1.6 螺紋根部檢查

采用線切割將裂紋源區的其中一處切開，檢查裂紋源的起源位置，如圖6所示，可見裂紋源位于螺紋的倒角處。

圖6 裂紋源位置示意圖 Fig.6 Diagram of the crack source location

檢查螺紋倒角的加工情況，在螺紋倒角位置發現微裂紋，如圖7所示。

圖7 螺紋倒角宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of thread chamfer: a) inspection surface; b) microcrack

2 分析與討論

由理化檢驗結果可知，斷裂螺栓的化學成分、力學性能均符合標準要求。35CrMoA鋼正常調質處理的顯微組織為細密均勻的回火索氏體，而斷裂螺栓的顯微組織存在較多塊狀鐵素體，這就使得基體硬度偏標準值的下限[3]。斷裂螺栓斷口的宏觀形貌和SEM形貌具備疲勞斷口的特征，由裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區3部分組成，裂紋擴展區具有典型的貝殼狀條紋，確定螺栓為疲勞斷裂[4]。裂紋源區截面顯示裂紋是從螺紋倒角處起源的，對螺紋倒角表面檢查時，發現倒角存在多處微小裂紋缺陷，導致局部應力集中，且第一齒螺牙處是受力最大的位置[5]。螺栓顯微組織存在較多的塊狀鐵素體，說明螺栓在淬火過程中加熱溫度偏低，或者保溫時間不足，鐵素體向奧氏體轉變不充分，這種組織使得螺栓疲勞強度降低[6]。螺栓在閥門開合動作時受到循環的沖擊載荷，因此螺栓在倒角應力集中區域開裂，最終疲勞擴展斷裂。