某核電廠18PA6B柴油機發生連桿螺栓斷裂事故失效原因分析與研究

摘" 要：某核電廠備用柴油發電機組A列按計劃執行設備季度試驗（滿功率試驗）過程中，A8缸活塞連桿螺栓斷裂，連桿飛出擊破A8缸曲軸箱蓋板，伴隨大量潤滑油及冷卻水泄漏，現場人員立即緊急停機干預，柴油發電機停機。針對此次事件，該文結合事故后受損零部件的檢驗報告開展連桿螺栓斷裂原因分析，其中A8-1和A8-2連桿螺栓分別有1處和2處斷口，A8-1連桿螺栓斷口和A8-2連桿螺栓斷口1的斷口形貌均為雙向彎曲疲勞斷裂，A8-2連桿螺栓斷口2的斷口形貌為彎曲過載斷裂。通過斷口形貌及柴油發電機運行情況，可以判斷出連桿螺母松退導致A8-1和A8-2連桿螺栓斷口1發生雙向彎曲疲勞斷裂，從而引起其他部件損壞。最后，為避免該類型事件發生，提出一些建議。

關鍵詞：柴油發電機組；連桿螺栓；失效原因分析；斷口；螺母

中圖分類號：TM623" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0005-04

Abstract： During the quarterly equipment test（full power test） of the spare diesel generator set of a nuclear power plant as planned， the piston connecting rod bolt of cylinder A8 broke， and the connecting rod flew out and broke the crankcase cover plate of cylinder A8. Accompanied by the leakage of a large amount of lubricating oil and cooling water， on-site personnel immediately stopped the emergency and intervened， and the diesel generator was shut down. In response to this incident， this paper analyzes the causes of the connecting rod bolt fractures based on the inspection reports of damaged parts after the accident. Among them， the A8-1 and A8-2 connecting rod bolts have 1 and 2 fractures respectively. The fracture morphology of the A8-1 connecting rod bolt fracture and the A8-2 connecting rod bolt fracture 1 are both bidirectional bending fatigue fractures， and the fracture morphology of the A8-2 connecting rod bolt fracture 2 is bending overload fracture. Through the fracture morphology and the operating conditions of the diesel generator， it can be determined that the loosening of the connecting rod nuts causes the two-way bending fatigue fracture of the A8-1 and A8-2 connecting rod bolts" fracture 1， which causes damage to other components. Finally， some suggestions are put forward to avoid this type of incident.

Keywords： diesel generator set; connecting rod bolt; failure cause analysis; fracture; nut

2019年1月12日，某核電廠備用柴油發電機組A列按計劃執行設備季度試驗（滿功率試驗）過程中，A8缸活塞連桿螺栓斷裂，連桿飛出擊破A8缸曲軸箱蓋板，伴隨大量潤滑油及冷卻水泄漏，現場人員立即緊急停機干預，柴油發電機停機。

故障柴油機型號為18PA6B，該類型柴油機是在法國熱機協會（S.E.M.T）PA6型柴油機的基礎上通過增加行程、匹配高效增壓器、重新設計噴油系統等而研發的新一代高性能中高速柴油機（圖1）。

柴油機由兩大機構和四大系統組成：兩大機構是指曲柄連桿機構和配氣機構；四大系統是指啟動空氣系統、潤滑油系統、高/低溫水冷卻系統和燃油系統。其中，發生斷裂的連桿螺栓屬于曲柄連桿機構（crank train）中的部件，它是柴油機運動部件中的薄弱件。

1" 連桿螺栓及連桿螺母的試驗結果分析

本文從斷裂的連桿螺栓及受損的連桿螺母的試驗結果分析著手，結合柴油發電機運行規律，進行連桿螺栓斷裂原因分析和研究。受損的連桿及連桿螺栓整體形貌如圖2所示。

從受損的連桿及連桿螺栓的整體形貌可以看出以下3點：①A8-1和A8-2連桿螺栓（分別對應于柴油發電機組的B側和A側）分別有1處和2處斷口；②連桿A側有較嚴重的磕碰痕跡，這是由于柴油機按照功率輸出端的旋轉方向被分為順時針方向和逆時針方向，18PA6B柴油機為逆時針方向運行，A側在運行事故發生后與機體主油道磕碰，發生損傷；③A側大端蓋存在向外彎曲變形的情況。

1.1" 連桿螺栓試驗結果分析

事故發生后，對A8-1和A8-2連桿螺栓樣品進行了一系列試驗分析。試驗結果表明：A8-1和A8-2連桿螺栓的化學成分、規定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、沖擊吸收能量、硬度值、金相組織及螺紋底部圓角半徑均符合標準要求或未見異常。

1.1.1" A8-1連桿螺栓試驗結果分析

安裝在連桿B側的A8-1螺栓斷裂成2段，斷裂位置為種入端螺紋段與光桿結合部位，種入端段留在連桿孔內，取出對合后未見明顯彎曲變形。在連桿與大端蓋間的結合部位對應的螺栓表面存在2處局部磨損發亮痕跡，分別為A、B側；螺母端螺栓螺紋存在長約4 mm的磨損痕跡，對應的大端蓋螺栓孔內也有螺紋磨損痕跡（圖3）。

A8-1螺栓斷面存在2個源區，分別位于兩側外壁，約呈180°對稱，對應于A、B側，微觀下未見缺陷，源區附近外表面存在平行于斷面的小裂紋；擴展區面積較大，斷面平整，宏觀下可見疲勞弧線，微觀下可見疲勞條帶；終斷區面積較小，位于另外兩側外壁，微觀形貌為韌窩（圖4）。

1.1.2" A8-2連桿螺栓試驗結果分析

安裝在連桿A側的A8-2螺栓斷裂成3段，斷裂位置為種入端螺紋段與光桿結合部位、連桿與大端蓋結合處，其中種入端的1段螺栓留在連桿孔內；取出對合后可見連桿與大端蓋結合的部位（即斷口2部位）存在明顯彎曲變形，該部位螺栓表面存在2處局部磨損發亮痕跡，分別對應于A、B側；螺母端螺栓螺紋存在長約28 mm的磨損痕跡，對應大端蓋螺栓孔內也有螺紋磨損痕跡（圖5）。

A8-2螺栓在靠近種入端側（編為斷口1）和大端蓋結合處（編為斷口2）各有1個斷口，斷口1的斷面特征與A8-1螺栓斷面基本一致（圖6）。

斷口2的斷面源區位于一側外壁，對應于B側，斷面起伏較大，微觀下未見缺陷，擴展區和終斷區微觀形貌均為韌窩（圖7）。

A8-1斷口及A8-2斷口1的斷面特征基本一致，其中源區、擴展區、終斷區形貌相同，宏觀下可見疲勞弧線，微觀下可見疲勞條帶。A8-2斷口2的斷面特征與上述2個斷口的斷面特征差異較大，斷面形貌為彎曲過載斷裂。在執行滿功率試驗過程中，故障柴油機轉速達到1 000 r/min，連桿螺栓是運動件中的薄弱零部件，在工作過程中要承受活塞連桿往復慣性力和連桿旋轉離心力等交變應力，而且在氣缸的壓縮和爆發沖程中還要受到每分鐘上千次交變應力的沖擊。

在工作過程中，連桿螺母松退將導致連桿螺栓在交變應力的作用下，使大端蓋相對連桿產生A—B方向間的反復橫向位移（此時定位銷已斷裂），引起2個螺栓在種入端附近產生雙向彎曲疲勞載荷，直至螺栓疲勞斷裂。而A8-2斷口2是由于柴油機在事故后與主油道發生碰撞，在連桿與大端蓋結合處發生彎曲過載斷裂。

1.2" 連桿螺母試驗結果分析

對A8-1和A8-2連桿螺母樣品進行了宏觀檢查及尺寸測量、化學成分分析、硬度試驗、金相分析及掃描電鏡觀察。試驗結果表明：樣品的化學成分和金相組織符合標準要求或未見異常。A8-1和A8-2連桿螺母的硬度值符合企業技術要求但不符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》國家標準的要求（抗拉強度按GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》國家標準換算硬度），且已接近企業技術要求的下限值（300 HB）， 其中A8-1（304 HB）和A8—2（307 HB）；A8-1、A8-2螺母分別有3和2個螺紋牙底存在裂紋，該類裂紋為疲勞過載引起的而非原始缺陷（圖8）。

A8-1和A8-2連桿螺母存在松動退出現象，其中A8-2退出長度明顯大于A8-1，與A8-2螺母（對比分析使用）安裝位置相比，分別退出約4 mm和28 mm；A8-1和A8-2螺母內螺紋未見磨損；2個螺母內螺紋牙形狀完整，均未見磨損及缺失。

A8-1和A8-2連桿螺母與大端蓋結合面可見明顯的磨損痕跡且局部存在變色、過熱相變及變形組織，電鏡下存在明顯的凹坑、折疊等磨損變形痕跡（圖9）。

2" 連桿螺栓斷裂失效原因分析

根據樣品試驗報告，結合柴油機運行規律，連桿螺母松退會導致連桿螺栓在種入端段發生雙向彎曲疲勞斷裂，柴油機運行過程中，連桿螺母與大端蓋發生碰撞，在結合面部位產生高溫，使螺母表面產生凹坑、折疊等磨損變形痕跡。

根據A8-1和A8-2連桿螺栓斷口形貌可以判斷出，疲勞斷裂性質類似于先高周疲勞、后低周疲勞斷裂。力矩不足是連桿螺母松退的可能原因之一，圖10將按照力矩不足的情況對失效順序進行說明。

3" 預防措施及改進建議

針對本次事件，本文提出以下3種措施來預防及避免同類型事件再次發生，分別為對連桿螺栓力矩進行校驗、增設曲柄銷油溫（連桿甩油）傳感器、增設曲軸箱煙霧報警傳感器。

3.1 連桿螺栓力矩校驗

在柴油機運行過程中，嚴格地保證連桿螺栓力矩達到要求值是十分必要的，在柴油機的定期維護過程中，要對連桿螺栓力矩進行校驗及檢查，確保每個缸的連桿螺栓力矩值滿足要求。

3.2" 曲柄銷油溫（連桿甩油）傳感器

PCOT（連桿甩油傳感器）可以在部件損壞前停止柴油機，下面的例子為PCOT設備監測到連桿軸承故障并避免曲軸的嚴重裂紋，如此快速高效地保護動作挽救了這根曲軸（圖11）。

PCOT系統已發展到可以在非常短的時間內完成安裝，方法簡單。分為以下幾步：①曲軸箱蓋板鉆孔，安裝溫度探頭；②PCOT控制顯示柜的固定；③安裝溫度探頭和控制顯示柜之間的線纜；④連接溫度探頭線纜、電源線纜和繼電器輸出信號；⑤現場調試和調整參數設定。

3.3" 曲軸箱煙霧報警傳感器

曲軸箱煙霧報警傳感器（Oil mist detector monitoring and safety）顯示煙霧濃度檢測的狀態（圖12），該系統可以避免柴油機重大部件的嚴重損壞，主要是曲軸，以改善柴油機的可靠性，有以下3種工況：①煙霧濃度檢測正常；②煙霧濃度高報警；③煙霧濃度高停車。

參考文獻：

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