摘 要:針對某電廠低壓加熱器疏水泵導(dǎo)流殼連接螺栓的斷裂失效,采用宏觀檢查、化學(xué)成分分 析、硬度試驗、金相檢驗、掃描電鏡斷口分析等方法對螺栓斷裂原因進行了分析.結(jié)果表明:螺栓斷 裂為典型的韌性過載斷裂;一方面螺栓牙底存在成型缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中,降低螺栓承載能力,另一 方面疏水系統(tǒng)運行狀態(tài)不穩(wěn)使疏水泵受到較大沖擊載荷,二者共同作用導(dǎo)致結(jié)合面部位的連接螺 栓于螺牙底部應(yīng)力集中部位發(fā)生過載斷裂失效.最后提出了改進建議. 

關(guān)鍵詞:疏水泵;連接螺栓;過載斷裂;成型缺陷;振動;失效分析 

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４４７Ｇ０６ 

低壓加熱器(簡稱低加)疏水系統(tǒng)是發(fā)電廠重要 的系統(tǒng)之一,其主要功能是把表面式加熱器的汽側(cè)疏 水收集并匯集于主凝結(jié)水或主給水系統(tǒng).疏水收集 方式主要有逐級自流和疏水泵收集兩種方式.其中 疏水逐級自流方式具有簡單、可靠等優(yōu)點,但是疏水 全部逐級流入凝汽器熱井,經(jīng)循環(huán)冷卻水冷卻后通過 凝結(jié)水泵打入低壓加熱器,再利用抽汽加熱凝結(jié)水. 此過程中低壓加熱器的疏水經(jīng)冷卻后再加熱,增加了 系統(tǒng)的能量損失;同時由于疏水逐級回流要排擠低壓 抽汽,這會產(chǎn)生不可逆損失.為了盡可能減少這種損 失,發(fā)電廠多采用疏水泵收集方式,增加疏水泵能有 效截流疏水,降低疏水溫度,徹底消除疏水自流造成 的負面影響,從而提高機組的熱經(jīng)濟性[１Ｇ３].

某電廠給水加熱器疏水回收系統(tǒng)從低壓加熱器 殼側(cè)收集凝結(jié)水送入低壓加熱器疏水箱.每臺機組 共有２臺疏水泵,２臺疏水泵均為５０％容量的臥式 多級離心泵,每臺疏水泵用于一個低壓加熱器系列. 斷裂的螺栓為疏水泵第１級和第２級導(dǎo)流殼之間的 連接螺栓,斷裂位置如圖１所示.該螺栓于２０１５年 １２月安裝,斷裂時間為２０１６年９月,服役僅１０個 月.螺栓型號為M８×４０,材料為 A２Ｇ７０不銹鋼,斷 裂螺栓共５根(依次編號為１~５號),對比螺栓１根(編號為６號).為查明該疏水泵導(dǎo)流殼連接螺栓斷 裂失效的原因,筆者對其進行了檢驗和分析,并提出 了改進建議,為機組的后續(xù)安全穩(wěn)定運行提供保障.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢查 

宏觀檢查發(fā)現(xiàn):１~４號失效螺栓的斷裂位置基 本一致,均位于距離螺栓頭部約１６mm 處第５~８ 個螺牙的底部,５號失效螺栓斷裂位置位于距離螺 栓頭部約１６mm 處第５~６個螺牙的底部;斷口附 近均存在明顯的宏觀塑性變形,失效螺栓斷口與螺 栓軸線約呈４５°角,斷口表面較粗糙,且色澤灰暗, 未見腐蝕特征,如圖２所示.

１．２ 化學(xué)成分分析 

對１~６號螺栓分別取樣進行化學(xué)成分分析,結(jié) 果見表１.可見所有螺栓的化學(xué)成分均符合 GB/T ３０９８．６－２０１４«緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘 和螺柱»對 A２Ｇ７０不銹鋼螺栓的技術(shù)要求. 

１．３ 硬度試驗 

在橫向金相檢驗面上進行維氏硬度試驗,試驗 設(shè)備為 HVＧ５０型自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計,試驗條 件如下:負荷９８N(１０kgf)、負荷保持時間１０s,試 驗標準為 GB/T４３４０．１－２００９«金屬材料 維氏硬度 試驗 第１部分:試驗方法». 

硬度試驗結(jié)果如表２所示,可見所有螺栓的維 氏硬度在３２９．５~３５４．７ HV,斷裂螺栓和正常螺栓 之間未 見 明 顯 差 異;另 GB/T３０９８．６－２０１４ 未 對 A２Ｇ７０不銹鋼螺栓的維氏硬度作具體要求.

１．４ 金相檢驗 

在失效螺栓和對比螺栓上分別截取金相試樣進 行顯微組織檢驗、螺牙成型質(zhì)量檢驗和非金屬夾雜 物 檢 驗. 測 試 設(shè) 備 為 ZEISS AXIOVERT ２００ MAT 研究級倒置萬能金相顯微鏡和 VHＧ１０００ 體 視顯微鏡.檢測標準為 GB/T１３２９９－１９９１«鋼的 顯微組織評定方法»、GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金 屬夾雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法».

１．４．１ 非金屬夾雜物檢驗 

非金屬夾雜物檢驗結(jié)果如下:１號螺栓的非金 屬夾雜物類別及等級為 D１;２號螺栓的非金屬夾雜 物類別及等級為 D０．５;３號螺栓的非金屬夾雜物類 別及等級為 D１;４號螺栓的非金屬夾雜物類別及等 級為 B１,D０．５;５號螺栓的非金屬夾雜物類別及等 級為 D１;６ 號螺栓的非金屬夾雜 物 類 別 及 等 級 為 D１.可見所有螺栓材料的純凈度均較佳.

１．４．２ 顯微組織檢驗

１~６號螺栓橫向剖面顯微組織形貌如圖３所 示,均為奧氏體,晶粒度為７~８級,斷裂螺栓和正常 螺栓之間未見明顯差異.

１．４．３ 螺牙成型質(zhì)量檢驗

１~６號螺栓的螺牙形貌如圖４~９所示.由圖 ４~８可見,失效螺栓牙頂有輕微折疊缺陷,近斷口 處的牙底部位亦存在折疊缺陷,螺牙表面有厚度不 均勻的形變硬化層,２號和４號螺栓斷口側(cè)牙頂和 ５號螺栓斷口兩側(cè)牙頂均存在明顯的變形.由圖９可見,６號螺栓螺牙表面亦存在厚度不均勻的形變 硬化層,牙頂也有輕微折疊缺陷.

１．５ 斷口微觀分析

對 斷 裂 螺 栓 斷 口 使 用 TESCAN VEGA TS５１３６XM 掃描電鏡(SEM)進行微觀特征分析,測 試標準為JY/T０１０Ｇ１９９６«分析型掃描電子顯微鏡 方法通則».

螺栓斷口微觀分析結(jié)果如圖１０所示.所有失 效螺栓斷裂均啟始于螺栓牙底部位,斷口各區(qū)域形 貌特征均為典型的韌窩.

２ 綜合分析 

綜合以上理化檢驗結(jié)果分析,失效螺栓和對比 螺栓的化學(xué)成分均滿足 GB/T３０９８．６－２０１４對 A２Ｇ ７０不銹鋼螺栓成分的技術(shù)要求;參考相關(guān)標準對硬 度試驗結(jié)果進行換算,斷裂失效螺栓抗拉強度約為 １１００MPa,滿足 GB/T３０９８．６－２０１４對 A２Ｇ７０不 銹鋼螺栓強度的技術(shù)要求;失效螺栓的非金屬夾雜 物含量較低,材料的純凈度較佳,顯微組織為奧氏 體,晶粒度為７~８級,未見組織異常情況.由此,可 以排除螺栓原材料材質(zhì)不合格引起斷裂失效的可 能.但由金相檢驗結(jié)果可知,螺栓存在牙底成型缺 陷,缺陷處可以成為螺栓失效的敏感區(qū)域[４]. 

其次,螺栓斷口附近存在明顯的宏觀塑性變形, 失效螺栓斷口與螺栓軸線約呈４５°角,斷口各區(qū)域 微觀形貌均為韌窩,為典型的韌性過載斷裂斷口.

再次,螺栓斷裂位置基本處于同一位置,均位于１級和２級導(dǎo)流殼安裝結(jié)合面處,且啟裂位置均處 于螺紋牙底.該機組所用疏水泵為臥式多級離心 泵,最 小 流 量 為 ６９．２ m３ ?? h－１,最 大 流 量 為 ２４０m３??h－１.研究 表 明[５Ｇ７],當 疏 水 泵 啟 停 時,吸 入泵中的空氣將在輸送液體中以溶解態(tài)或者非溶解 態(tài)的形式存在,當管道或者離心泵內(nèi)含有大量氣泡 時,這些氣泡便會大量聚集在管道系統(tǒng)或者離心泵 的某些部位,進而形成氣囊,氣囊破滅時會對疏水泵 產(chǎn)生較大的沖擊,從而導(dǎo)致結(jié)合面部位的連接螺栓 在螺紋牙底缺陷應(yīng)力集中處發(fā)生過載斷裂失效.

３ 結(jié)論及建議

低壓加熱器疏水泵導(dǎo)流殼連接螺栓存在牙底成 型缺陷,形成應(yīng)力集中,加之疏水泵受到過大沖擊載 荷,從而導(dǎo)致結(jié)合面部位處的連接螺栓于應(yīng)力集中 的螺紋牙底發(fā)生過載斷裂失效.

建議一方面加強螺栓質(zhì)量檢查,避免存在牙底成型缺陷的螺栓投入使用;另一方面,由于疏水系統(tǒng) 在啟停時易吸入空氣,以及在運行中大的流量變化, 使得疏水泵承受較大的沖擊載荷,因此建議在疏水 泵啟動時進行排空處理,同時控制運行中大的流量 波動速度,保證疏水泵長期安全穩(wěn)定運行.

參考文獻: 

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[７] 李曉輝．３５０MW 汽輪機低加疏水泵故障原因探討和 預(yù)防[J]．電站輔機,２００７,２８(２):２３Ｇ２５．

文章來源——材料與測試網(wǎng)