某抽水蓄能電站頂蓋螺母斷裂原因分析

曹佳麗，霍兆斌，趙 強(qiáng)

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100053；2.山西西龍池抽水蓄能有限責(zé)任公司，山西省忻州市 035500）

1 概述

某抽水蓄能電站頂蓋把合螺栓螺母呈同心圓狀均勻分布80個(gè)，螺母結(jié)構(gòu)為采用內(nèi)六角孔預(yù)緊，螺母規(guī)格為M130×6，材質(zhì)為S45C，螺母結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 螺母結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Drawing of nut structure

檢修時(shí)將螺母拆下，回裝時(shí)按照螺母的運(yùn)動(dòng)角為64.6°，弧長(zhǎng)S為118.3mm進(jìn)行預(yù)緊，在對(duì)80顆螺母回裝進(jìn)行預(yù)緊50%后，按照對(duì)稱分布進(jìn)行100%預(yù)緊，預(yù)緊完成5顆后，預(yù)緊第6顆時(shí)，發(fā)生突然異響，螺母預(yù)緊孔發(fā)生開裂，此時(shí)拉伸弧長(zhǎng)為108mm。之后檢查已經(jīng)預(yù)緊至100%的螺母發(fā)現(xiàn)均有裂紋，對(duì)剩余74顆已經(jīng)預(yù)緊至50%的螺母進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)15顆螺母有裂紋。

2 理化性能分析

2.1 化學(xué)成分

根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，分析螺母材料中各元素的含量，結(jié)果見表1，表中同時(shí)列出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺母材料化學(xué)成分要求。可見，螺母材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 螺母的化學(xué)成分及設(shè)計(jì)要求（Wt%）Table 1 Chemical composition and requirements of nut （Wt %）

2.2 力學(xué)性能

從螺母上截取拉伸試樣，并根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，另外取樣進(jìn)行常溫KU2沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2，表中同時(shí)列出了標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S45CN材料的力學(xué)性能要求。可見，螺母材料的抗拉強(qiáng)度符合要求，屈服強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)要求的下限附近。

表2 螺母的室溫力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of nut at room temperature

2.3 組織分析

在螺母端面內(nèi)六角含裂紋區(qū)域取金相試樣，觀察面距端面35mm處。橫向觀察，裂紋寬窄不一，無(wú)耦合性，周圍未見大型夾雜物，裂紋旁組織無(wú)變化，與基體相同。表層組織為微細(xì)馬氏體+較多量未溶鐵素體，心部屬正火態(tài)的鐵素體+珠光體，見圖2。按照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)螺母材料組織平均晶粒度進(jìn)行評(píng)定晶粒度7.0 級(jí)。

圖2 橫向試樣面裂紋形貌及組織Figure 2 Morphology and microstructure of transverse specimen

2.4 斷口分析

從裂紋的形式及走向可以看到，螺母是從預(yù)緊孔開裂的，在螺紋部分并未發(fā)生開裂，見圖3。內(nèi)六角孔棱角處內(nèi)壁清晰可見壓塌式塑性變形，螺母開裂起源于多個(gè)內(nèi)六角孔棱角處的多條裂紋源，為塑性變形導(dǎo)致韌性過(guò)載撕裂+脆性快速開裂[1]。

圖3 螺母預(yù)緊孔裂紋Figure 3 Crack in nut preload hole

對(duì)內(nèi)六角孔棱角處內(nèi)壁的裂紋打開后進(jìn)行斷口觀察，裂源附近宏觀斷口分三個(gè)區(qū)域，根據(jù)應(yīng)力休止線可大致分三個(gè)開裂階段。第一階段為起裂源區(qū)，位于內(nèi)六角孔下方5mm深度，整個(gè)內(nèi)六角長(zhǎng)度（55mm）范圍內(nèi)的層狀斷口，斷口較為干凈新鮮，無(wú)氧化銹蝕，斷口面與表面約呈45°，屬斜剪切平面，見圖4；第二階段為以層狀斷口區(qū)域?yàn)樵矗帱c(diǎn)源型由內(nèi)而外放射狀開裂，斷面平坦，有金屬光澤，屬快速脆性開裂至內(nèi)孔處且穿透整個(gè)壁厚；第三階段為以第二階段裂面為源，呈人字紋快速擴(kuò)展，宏觀斷口切斜45°，并迅速延伸至螺紋區(qū)域裂紋區(qū)層狀斷口形貌見圖5。

圖4 斷口特征Figure 4 Fracture characteristics

圖5 裂紋區(qū)層狀斷口形貌Figure 5 Lamellar fracture morphology in crack area

在裂源附近的內(nèi)六角孔的內(nèi)壁的壓塌式塑性變形表明，螺母安裝拆卸過(guò)程，可能已經(jīng)對(duì)內(nèi)壁造成材料損傷，產(chǎn)生壓塌式塑性變形及微裂紋，見圖6。

圖6 裂紋源處塑性變形壓痕Figure 6 Plastic deformation indentation at crack source

3 螺紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

螺紋連接在安裝時(shí)都必須擰緊，使被連接件受到壓縮，同時(shí)螺栓受到拉伸，這種在螺栓承受工作載荷之前受到的力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊的目的是為了增強(qiáng)連接的可靠性、緊密性和剛性，提高連接的防松能力，防止受載后被連接件間出現(xiàn)間隙或發(fā)生相對(duì)位移；對(duì)于受變載荷的螺紋連接還可提高其疲勞強(qiáng)度。

頂蓋螺栓是受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓連接，這種受力形式在緊螺栓連接中比較常見，螺栓的軸向總載荷[2-5]為：

總拉力F2同預(yù)緊力F0及工作載荷F的關(guān)系也可按照下列公式計(jì)算：

該機(jī)組設(shè)計(jì)最大工作載荷為2.102×108N，螺栓按照預(yù)緊應(yīng)力294MPa，單個(gè)螺栓的總應(yīng)力為359.62MPa，殘余預(yù)緊應(yīng)力為140.16MPa。

3.1 螺紋結(jié)構(gòu)剪切和彎曲強(qiáng)度校核

在設(shè)計(jì)中，一般可以參照標(biāo)準(zhǔn)件螺母的厚度，既可滿足要求，最大不超過(guò)2D（D為螺母的公稱直徑）。厚度大于2D的螺母，由于加工的原因，螺距的累積誤差將會(huì)增大，螺紋副的旋合將是不均勻的，導(dǎo)致螺紋部分的受力也不均勻，超長(zhǎng)部分的螺紋根本不能受力，嚴(yán)重的將會(huì)增加額外負(fù)載。螺母高度為1.08D，屬于2型螺母。螺栓的結(jié)構(gòu)為M130×6，參考GB/T 5796中梯形螺紋基本尺寸可知螺紋中徑為127mm，內(nèi)螺紋大徑為131mm，螺栓小徑為123mm，螺紋高度為140mm。上述參數(shù)均是參考標(biāo)準(zhǔn)螺紋的尺寸，實(shí)際參數(shù)可能同上述參數(shù)有微小出入，但不影響整體計(jì)算。

螺紋牙的受力分析，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將螺紋牙展開后，將其視為懸臂梁，內(nèi)螺紋展開受力示意圖如圖7所示。螺紋牙承受沿螺栓軸向的載荷力，根據(jù)集中力的原則，則力的作用點(diǎn)位于螺紋牙中徑。

圖7 內(nèi)螺紋展開受力示意圖Figure 7 Schematic diagram of internal thread deployment force

設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)螺紋牙的強(qiáng)度校核通常包括抗剪切校核、抗彎曲校核。

螺紋的剪切應(yīng)力為：

式中：F——螺紋軸向載荷，N；

n——旋合圈數(shù)；

D——內(nèi)螺紋大徑，mm；

b——螺紋牙底寬度，mm。對(duì)于普通螺紋，b=0.75p。

螺紋的彎曲應(yīng)力為：

式中：F——螺紋軸向載荷，N；

n——旋合圈數(shù)；

D——內(nèi)螺紋大徑，mm；

b——螺紋牙底寬度，mm；對(duì)于普通螺紋，b=0.75p。

彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足σW≤[σb]，許用彎曲應(yīng)力[σb]取值為[σb]=（1～1.2）[σ]，許用應(yīng)力[σ]取值同上。

螺母材料的ns取1.4，許用剪切應(yīng)力安全系數(shù)取0.7，許用彎曲應(yīng)力安全系數(shù)取值1.1，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力294MPa時(shí)，剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)的許用剪切應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力，校驗(yàn)合格。

上述計(jì)算不論是剪切應(yīng)力還是彎曲應(yīng)力，實(shí)際上是考慮的平均應(yīng)力。在實(shí)際中，螺牙的承載同旋合的圈數(shù)是有關(guān)系的，按照VDI 2230《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算》的計(jì)算，初始旋合位置的承載比例很高，其強(qiáng)度已接近屈服強(qiáng)度，隨著旋合位置的推移，承載的應(yīng)力急劇減小。螺紋受力的特點(diǎn)就是從初始旋合位置逐級(jí)向下傳遞載荷，螺母最初旋合的位置承載應(yīng)力較大，可能已經(jīng)發(fā)生塑形變形，在靠近內(nèi)六角預(yù)緊孔位置的螺紋承載應(yīng)力較小，發(fā)生剪切和彎曲破壞的幾率很小。

現(xiàn)場(chǎng)檢查情況螺栓與螺母螺牙處均未受到損傷。80根螺栓中斷裂的螺母在端蓋圓上無(wú)規(guī)律分布，裂紋均起始于螺母內(nèi)六角孔棱角處，棱角處出現(xiàn)金屬材料壓塌式塑性變形及微裂紋。裂紋開裂機(jī)理方面不涉及腐蝕，不涉及疲勞，螺母開裂很可能是螺母裝配過(guò)程中產(chǎn)生。

3.2 螺母預(yù)緊時(shí)的扭矩分析及影響因素

螺栓預(yù)緊的實(shí)質(zhì)是要將螺栓的軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)?shù)姆秶刂坡菟A(yù)緊力的方法有感覺法、力矩法、測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量法、轉(zhuǎn)角法、應(yīng)變計(jì)法、螺栓預(yù)脹法和液壓拉伸法等。其中最常用的是力矩法（也叫扭矩法）和伸長(zhǎng)量控制法。目前，大量采用的扭矩法擰緊工藝是根據(jù)螺栓軸向力與擰緊扭矩之間的基本關(guān)系：

式中：K——扭矩系數(shù)；

D——螺紋公稱直徑；

F——螺栓的軸向力，此處為預(yù)緊力。

在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，扭矩系數(shù) K 值一般取 0.2。但實(shí)際上，此 K 值不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)取決于螺紋精度等連接條件的變量。在一般的批量裝配條件下，根據(jù)螺紋精度、材質(zhì)、表面狀態(tài)、潤(rùn)滑條件等的不同，同一種連接的K值可以0.1～0.5甚至更寬的范圍內(nèi)變化。一般而言，螺紋制造精度越高，表面處理及潤(rùn)滑條件越穩(wěn)定，則 K值越穩(wěn)定（散差小）；反之，K值散差就大。

表面狀態(tài)會(huì)對(duì)螺母預(yù)緊時(shí)的K值有很大的影響，系數(shù)從0.1～0.5之間變化。如果表面狀態(tài)不好或者摩擦系數(shù)大，例如機(jī)坑內(nèi)潮濕等，在螺栓拆卸或者安裝擰緊至預(yù)定力矩或者伸長(zhǎng)量時(shí)需要較大的力矩，對(duì)于這種內(nèi)六角螺母，由于螺母螺紋部分同螺桿已經(jīng)旋合，內(nèi)六角部分實(shí)際上相當(dāng)與承擔(dān)了較大的扭矩，容易破壞。

4 改進(jìn)方法討論

螺母產(chǎn)生裂紋的位置內(nèi)六角預(yù)緊孔，是拆卸或者回裝時(shí)扭矩過(guò)大引起的破壞。改進(jìn)方法主要集中到如何降低扭矩、如何提高內(nèi)六角孔抗彎曲和剪切能力、避免扭矩偏差過(guò)大等方面。

4.1 改變螺母的材質(zhì)

螺母強(qiáng)度校核時(shí)，無(wú)論剪切許用應(yīng)力還是彎曲許用應(yīng)力，均需同拉伸許用應(yīng)力建立關(guān)系。改變螺母的材質(zhì)，提高屈服強(qiáng)度，可以提高彎曲許用應(yīng)力。螺母材料不同屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的螺紋彎曲許用應(yīng)力如圖8所示。如果將螺母更換為其他材料，例如20Cr，屈服強(qiáng)度為540MPa，則對(duì)應(yīng)的彎曲許用應(yīng)力495MPa，遠(yuǎn)大于目前結(jié)構(gòu)及預(yù)緊應(yīng)力產(chǎn)生的螺紋彎曲應(yīng)力。

圖8 螺母材料屈服強(qiáng)度同螺紋許用彎曲應(yīng)力的關(guān)系Figure 8 Relationship between yield strength of nut material and allowable bending stress of thread

目前的材料可以滿足螺紋的許用剪切應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力要求，更換強(qiáng)度更高的材料，會(huì)提高內(nèi)六角預(yù)緊螺孔的許用剪切應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力，降低拆卸和預(yù)緊過(guò)程中扭矩造成的內(nèi)六角螺孔破壞的幾率，但是由于很難建立這樣的力學(xué)模型，上述分析只是定性分析。如果沒有其他方法可選，可采用提高螺母強(qiáng)度的方法。需要說(shuō)明的是，實(shí)際上在螺紋連接副設(shè)計(jì)時(shí)，螺母材料的強(qiáng)度要小于螺栓材料的強(qiáng)度，否則容易預(yù)緊后造成螺栓的破壞。

4.2 改變預(yù)緊方式

從前述分析可知，造成內(nèi)六角預(yù)緊孔破壞的原因可能是預(yù)緊時(shí)的扭矩過(guò)大，用扭矩控制本身偏差就很大，而螺母的這種結(jié)構(gòu)及安裝按照螺紋升角控制的方式又決定了扭矩不好控制。實(shí)際拆裝過(guò)程中很有可能發(fā)生由于螺母咬死或者螺母端面摩擦系數(shù)的影響，未到螺紋升角的控制量，但實(shí)際上早已經(jīng)到了對(duì)應(yīng)的扭矩量，這樣就會(huì)造成內(nèi)六角的預(yù)緊孔的破壞。從另外一個(gè)角度講，內(nèi)六角螺孔破壞實(shí)際上保護(hù)了預(yù)緊工具，否則一直加壓會(huì)造成工具的損壞甚至安全事故。

在現(xiàn)有螺栓的基礎(chǔ)上，如果將現(xiàn)有螺母改變?yōu)橄嗤叨取⑾嗤馁|(zhì)外六角螺母，螺母是滿足使用的。安裝時(shí)采用現(xiàn)在控制量可能是可行的，實(shí)際操作需要考慮空間的可行性。

螺栓安裝時(shí)的伸長(zhǎng)量是遵循胡克定律的，按照伸長(zhǎng)量控制更為準(zhǔn)確，螺母安裝過(guò)程中是自由旋合上去的，受端面的表面狀態(tài)影響較小。但安裝時(shí)可能需要測(cè)長(zhǎng)孔，可能需要更換螺桿。這是從根本上解決問題的較好方法。

5 結(jié)論

（1）螺母材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能基本符合要求，螺母預(yù)緊孔的表層組織為微細(xì)馬氏體+較多量未溶鐵素體，心部屬正火態(tài)的鐵素體+珠光體，組織及晶粒度均符合要求。

（2）螺紋部分的抗彎曲和剪切強(qiáng)度合格。內(nèi)六角螺母在預(yù)緊時(shí)由于受預(yù)緊方法和表面狀態(tài)的影響使得扭矩?zé)o法精確控制，螺母安裝及拆卸過(guò)程中，對(duì)螺母預(yù)緊孔內(nèi)壁造成材料損傷，產(chǎn)生壓塌式塑性變形及微裂紋。

（3）在現(xiàn)有規(guī)格的條件下，適當(dāng)提高螺母強(qiáng)度可以提高內(nèi)六角預(yù)緊螺孔的許用剪切應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力，降低拆卸和預(yù)緊過(guò)程中扭矩造成的內(nèi)六角螺孔破壞的幾率。但是需注意螺母和螺栓材料的匹配。通過(guò)改變螺母的預(yù)緊方式是比較徹底的解決辦法，但可能受到操作空間及螺栓無(wú)測(cè)長(zhǎng)孔的限制。