某大型水電站水輪機主軸密封基礎螺栓斷裂原因分析

龍 見 穎, 徐 益 寶

(雅礱江流域水電開發有限公司,四川 成都 610051)

1 概 述

某大型水電站安裝有6臺混流式水輪發電機組,額定水頭165 m,最大水頭189.2 m,單機容量612 MVA。水輪機的附屬部件主軸密封基礎板架設在水輪機頂蓋與大軸之間,用于支撐主軸密封上腔環、中間環、下腔環、頂環及碳精塊等主軸密封工作部件。基礎板沿圓周方向共分為6塊,由60顆M36×100螺栓與頂蓋把合,螺栓為六角頭剛性螺栓,材質為1Cr18Ni9。6塊基礎板之間通過24顆M24螺栓組合連接。機組正常運行時,主軸法蘭、主軸密封基礎板、頂蓋三者形成密閉空腔,空腔內壓力約1 MPa,空腔內持續受到機組運行過流產生的循環沖擊載荷影響。

在機組檢修期間進行主軸密封常規檢查時,發現主軸密封基礎板把合螺栓斷裂9顆,均在檢查緊固或拆除時擰斷,9顆斷裂螺栓沿圓周向呈不規則分布。主軸密封基礎板螺栓作為主軸密封與頂蓋重要連接緊固件,一旦發生松動或大面積斷裂,頂蓋內水壓將掀翻基礎板,造成機組劇烈振動甚至發生水淹廠房的災難性事故[1]。

2 原因分析

2.1 斷口宏觀分析

所有斷裂螺栓宏觀形貌相似,斷裂螺栓斷面見圖1。螺栓斷口未發生塑性變形,斷口與螺栓軸向垂直,斷口表面平齊,螺栓斷裂位置距離六角端頭約60 mm,位于與基礎連接的裝配面附近。從斷面上看,分成纖維區和剪唇區,斷口尺度較大,出現放射形及人字形山脊狀花紋,在斷口邊緣有剪切唇,剪切唇在斷口的邊緣,與構件表面約成45°夾角。斷口螺紋絲扣處存在非常清晰的磨損痕跡,其中一處磨損接近螺栓頂部,斷裂方式表現為脆性斷口。斷口截面分布不均勻,其中一側占較大面積,說明螺栓在受到軸向應力的同時,還受到彎曲及剪切應力的作用。

圖1 斷裂螺栓斷面圖

2.2 化學成分分析

根據規范[2]要求分析斷裂螺栓材料的化學成分,主軸密封基礎板螺栓化學成分(質量分數)見表1,表中同時列出規范[3]對螺栓中各元素含量要求。測試結果表明,除Ni元素與標準存在偏差外,斷裂螺栓的主要合金元素含量均符合國標要求。

表1 主軸密封基礎板螺栓化學成分(質量分數) /%

2.3 金相檢測分析

選取斷裂螺栓進行金相分析和夾雜物檢驗。斷裂螺栓金相組織形貌見圖2,金相檢驗結果表明,基體組織均為奧氏體,晶界析出物較多,未見晶體裂紋等缺陷,存在細小顆粒物,細小顆粒物為氮化鈦夾雜物和腐蝕坑。Ti可以徹底消除晶體間腐蝕傾向,可以提高固溶體中的wcr,是提高鋼基體的電極電位的有效元素[4],屬于奧氏體不銹鋼穩定化處理必需元素,不屬于異常夾雜物。

圖2 斷裂螺栓金相組織形貌圖

2.4 螺栓結構強度分析

2.4.1 力學性能試驗

根據規范[5]中相關規定,選取此批次斷裂螺栓的斷口區域進行里氏硬度檢測,螺栓硬度檢測結果見表2,斷裂螺栓硬度測試位置見圖3。

表2 螺栓硬度檢測結果

圖3 斷裂螺栓硬度測試位置圖

根據規范[6]中相關對應關系,將檢測出的里氏硬度轉換為為維氏硬度值,斷裂螺栓硬度轉換見表3,表中同時給出了規范[7]對材質硬度的要求,可見螺栓材質硬度滿足規范要求。

表3 斷裂螺栓硬度轉換

2.4.2 螺栓強度理論校核

主軸密封基礎板螺栓在經歷數次拆裝及機組運行后,螺栓的局部部位力學性能已不能通過破壞性的常規拉伸試驗來獲得,故采用硬度檢測得到硬度值,通過可靠的換算關系估算螺栓材料的屈服強度、抗拉強度,這樣得出的力學性能指標更具有現實意義。而根據奧氏體不銹鋼里氏硬度與強度在一定程度上符合的線性關系,經線性擬合,里氏硬度HLD與屈服強度σ0.2的回歸關系式為[8]:

σ0.2=A×HLD+B

(1)

式中A=3.38,B=-941.16。

里氏硬度HLD與抗拉強度σb的回歸關系式為:

σb=A×HLD+B

(2)

式中A=2.26,B=116.01。

上述兩式中,按照數理統計方法分析出來的變量之間相關系數R值分別為:R0.2=0.981,Rb=0.938,R值均大于0.75,認為擬合結果有一定的規律,R值越接近1則說明擬合程度越高。

根據斷裂螺栓硬度測試結果,換算得出螺栓抗拉強度、屈服強度,表4(主軸密封基礎板螺栓材料性能參數)中同時列出規范中對材料抗拉強度、屈服強度。可以看出,該批次螺栓相關力學性能皆能滿足規范要求。

表4 主軸密封基礎板螺栓材料性能參數

基礎板與頂蓋通過螺栓預緊連接后,基礎板連接螺栓受螺栓緊固預緊力和工作載荷作用,螺栓承受的軸向總荷載為[9-10]:

F=F0+FaCb/(Cb+Cm)

(3)

式中Cb和Cm分別為螺栓和被連接件的剛度,Cb/(Cb+Cm)稱為螺栓相對剛度,其取值由墊片材料決定,對于金屬墊片或無墊片一般取值為0.2～0.3。

機組實際運行工況下測得頂蓋與主軸密封基礎板空腔內壓力值為1 MPa,可計算得到基礎板整個圓周受到的軸向水壓力約為3 151.336 kN,分配到每顆螺栓上的軸向荷載為52.522 kN。由上式可得到基礎板螺栓受到拉應力為:

σ=4×[F0+FaCb/(Cb+Cm)]/(πd)2

(4)

式中 螺栓預緊力F0按照設計圖紙要求為1 520 N,Fa=52.522 kN,d為螺栓小徑,M36螺栓小徑為31.68 mm。

由此可計算得出在靜應力的狀態下,每顆螺栓承受的拉應力為σ=21.92 MPa。

根據規范[11]要求:“所有部件的工作應力應不超過規定的許用應力。除轉輪和主軸外,其余部件正常工況和過渡工況下采用經典公式計算的斷面應力應不大于《水輪機基本技術條件》中表2規定的許用應力,特殊工況下采用經典公式計算的斷面應力應不大于材料屈服強度的2/3”。按照規范表中規定,不銹鋼螺栓材質的許用拉應力為:

[σ]=σs/3=168.49 MPa

(5)

可見該批次螺栓如按照設計圖紙要求預緊力進行緊固,螺栓承受的拉應力σ將遠小于許用應力[σ],滿足安全性能要求。

2.4.3 螺栓預緊方式及受力狀態分析

追溯該機組主軸密封基礎板螺栓裝配工藝,發現螺栓自機組大修以來共經歷兩次拆裝,兩次均通過梅花敲擊扳手進行拆卸及預緊,過程中均未對螺栓緊固力矩限制,作業人員則試圖依靠增加錘擊預緊力的方法來保證頂蓋與主軸密封基礎板的密封性,憑借螺栓不再轉動為預緊到位標準,而受人為敲擊力道因素的影響,主軸密封基礎板圓周方向60顆螺栓的預緊力存在差異,使得螺栓組的受力不均勻,基礎板微偏心裝配。

主軸密封基礎板螺栓是連接頂蓋與主軸密封基礎緊固件,由于螺栓預緊力差異導致的基礎板微偏心裝配,在螺栓施加預緊力裝配后,因為機組運行水流過流脈動作用,對基礎板產生無規律的脈動沖擊載荷。同時對基礎板螺栓造成了無規律、不穩定的循環交變應力,初始預緊力也發生相應變化,部分緊固螺栓及連接件將發生微小的相對位移或者出現間隙[12]。此時,這部分螺栓由于連接件出現的相對位移或間隙,螺栓在承受軸向拉力的同時,將額外承受交變剪切和彎曲應力作用。

3 分析結論

根據試驗測定參數以及充分理論綜合分析,得出導致主軸密封基礎板連接螺栓斷裂原因以下結論:

(1)斷裂螺栓金相檢測結果、硬度、力學性能等指標均符合要求。如按設計圖紙力矩要求對螺栓預緊,該批次螺栓強度滿足機組運行工況使用要求。

(2)斷裂螺栓材質的化學成分中鎳含量低于標準中的規定值。不銹鋼中Ni元素是主要的奧氏體穩定元素,鎳含量偏低,奧氏體的穩定性下降,基體有由面心立方向體心四方結構發生轉變趨勢。鐵素體和馬氏體的含量增加,材料的塑韌性下降,基體的電化學性能不均勻,在承受交變應力作用下,極易發生脆性斷裂[13]。

(3)螺栓裝配工藝。螺栓在歷次拆除及預緊過程中,由于未按照設計力矩進行預緊,全程使用梅花敲擊扳手進行裝配,裝配過程中安裝外力遠遠超過設計預緊力,產生一個較大的裝配拉應力和切應力,在螺栓與基礎板螺紋連接終止處形成較大的應力集中。螺栓受到高應力而降低了軸向抗拉強度及屈服值,反復拆裝也對同批次螺栓的性能造成了一定程度損傷。同時,由于螺栓組受力不均勻造成的基礎板微偏心裝配,部分緊固螺栓及連接件發生微小相對位移或者出現間隙,螺栓額外承受交變剪切和彎曲應力作用。再加之螺栓中Ni元素低的內因共同作用,螺栓最終發生快速塑性變形后韌性過載撕裂,再次緊固及拆除過程中發生脆性快速斷裂[14]。

4 結 語

筆者根據發生在水輪發電機組重要部位主軸密封基礎密封板螺栓斷裂的事件,通過宏觀分析和微觀理化檢測的方式,系統分析了該重要部件螺栓之所以會斷裂的深層次原因為施工工藝不當導致的螺栓斷裂問題。這在日常施工中不是特例,施工作業人員圖一時方便而不按施工工藝進行裝配,將對水輪發電機組投運后的運行埋下重大隱患。同時也挖掘出了對于水輪發電機而言除頂蓋螺栓以外又一需要重點關注部位的螺栓,以期望在行業內產生一定警示并對類似問題提供借鑒參考。