摘 要:某大型水電站水輪機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生尾水管進(jìn)人門連接螺栓斷裂.通過宏觀和微觀 形貌分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)等方法對(duì)螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表 明:由于螺栓的熱處理工藝不當(dāng),其表層形成嚴(yán)重的全脫碳層,降低了螺栓的抗疲勞性能;螺栓基體 中塊狀鐵素體較多,降低了強(qiáng)度裕量和韌性裕量.在尾水管過流產(chǎn)生的循環(huán)沖擊載荷作用下,沿全 脫碳層的微裂紋形成了疲勞開裂,并擴(kuò)展至斷裂.

關(guān)鍵詞:水輪機(jī);尾水管;螺栓;斷裂;全脫碳層

中圖分類號(hào):TK７３５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６５３Ｇ０４

尾水管是大型水輪發(fā)電機(jī)組的重要部件,其主 要作用是利用下游水面到機(jī)組轉(zhuǎn)輪出口的高程差, 在轉(zhuǎn)輪出口形成靜力真空,從而將該處水流引向下 游;還能利用轉(zhuǎn)輪出口的水流動(dòng)能,將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)力 真空以回收水流能量從而提高發(fā)電效率[１].因此, 尾水管工作狀態(tài)正常與否直接關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組 能否安全穩(wěn)定運(yùn)行.

黃河中游某大型水電站２號(hào)機(jī)組為 HLFN２３５Ｇ LJＧ６１０型立軸混流式水輪機(jī)(功率為１８０ MW),該 水輪機(jī)采用金屬蝸殼,轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱規(guī)格為?６．０８７ m, 由兩個(gè)規(guī)格為?４９０mm 的直缸式接力器通過其傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)控制２４只導(dǎo)葉,以調(diào)節(jié)水輪機(jī)的力度和停機(jī) 切斷水流,采用彎肘型尾水管導(dǎo)流及回收能量.該 水輪機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生尾水管進(jìn)人門連接螺栓斷 裂失效.此次斷裂發(fā)生時(shí),該批次螺栓已累計(jì)使用 約７６０００h.

為查明進(jìn)人門連接螺栓的斷裂原因,筆者對(duì)其 進(jìn)行了理化檢驗(yàn)及分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

尾水管進(jìn)人門連接螺栓是８．８級(jí)高強(qiáng)螺栓,材 料為４０Cr鋼,規(guī)格為 M３０mm×１２０mm.對(duì)尾水管進(jìn)行宏觀檢查,由圖１可見,尾水管進(jìn)人門連接螺 栓表面較粗糙且銹蝕嚴(yán)重,斷裂處位于螺桿與六角 頭連接的變截面過渡部位;斷口表面整體較平整,未 見明顯的塑性變形;斷口與螺栓軸線垂直,存在起裂 區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū),為典型的疲勞斷口形貌[２].起 裂區(qū)位于斷口邊緣,擴(kuò)展區(qū)占據(jù)了斷口表面大部分 區(qū)域,該區(qū)域呈暗灰色,表面細(xì)密平滑,可以觀察到 較清晰的“海灘狀”疲勞條紋.瞬斷區(qū)位于和起裂區(qū) 對(duì)稱的斷口邊緣,其所在區(qū)域面積約為斷口面積的 １/１０,表面較粗糙.此外,斷口及附近區(qū)域未見機(jī)械 損傷及腐蝕損傷等缺陷.

１．２ 斷口分析

對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察.由圖２a)可見,疲 勞源位于斷口邊緣且為多源性開裂,隨著裂紋的擴(kuò) 展,各裂紋源的裂紋趨向合并,在不同斷裂平面交匯 處形成錯(cuò)層臺(tái)階.由圖２b)可見,在斷口擴(kuò)展區(qū)存 在明顯的疲勞輝紋,在接近疲勞源的區(qū)域疲勞弧線 較細(xì)密,說(shuō)明在該區(qū)域裂紋擴(kuò)展較緩慢;在遠(yuǎn)離疲勞 源的區(qū)域疲 勞 弧 線 較 稀 疏 ,說(shuō) 明 裂 紋 擴(kuò) 展 速 率 加快[３].此外,斷 口 上 還 存 在 大 量 的 二 次 裂 紋.由 圖２c)可見,瞬斷區(qū)內(nèi)撕裂棱與韌窩共存,呈現(xiàn)出準(zhǔn) 解理斷裂特征.

１．３ 化學(xué)成分分析

對(duì)進(jìn)人門連接螺栓取樣,采用 SPECTROLAB MAXx型火花源原子發(fā)射光譜儀對(duì)試樣的化學(xué)成 分進(jìn)行分析,結(jié)果見表１.可見該螺栓的化學(xué)成分 在 GB/T３０７７－２０１５«合金結(jié)構(gòu)鋼»對(duì)４０Cr鋼的成 分要求范圍內(nèi).

１．４ 金相檢驗(yàn)

對(duì)進(jìn)人門連接螺栓截取斷口位置制樣,試樣經(jīng) 磨制、拋光后,采用體積分?jǐn)?shù)為４％的硝酸酒精溶液 浸蝕,然后使用 AxioObserverAlm 型研究級(jí)倒置 金相顯微鏡進(jìn)行觀察.由圖３a)可見,螺栓基體顯 微組織為回火索氏體＋塊狀鐵素體,說(shuō)明螺栓調(diào)質(zhì) 處理工藝不當(dāng),加熱溫度較低或保溫時(shí)間不足,造成 鐵素體未完全奧氏體化而存在較多塊狀鐵素體.由 圖３b)可見,螺桿表層存在厚度約４０μm 的全脫碳 層組織及７０μm 的半脫碳層組織[４].

１．５ 力學(xué)性能試驗(yàn)

采用 CMT５３０５型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)進(jìn)人 門連接螺栓進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見表 ２. 可以看出螺栓的維氏硬度和－２０ ℃下的沖擊吸收 能量均符合 GB/T３０９８．１－２０１０«緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱»的要求;根據(jù) GB/T１１７２－１９９９ «黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值»,將硬度測(cè)試值換算 成抗拉強(qiáng)度后,其抗拉強(qiáng)度也符合該標(biāo)準(zhǔn)要求.

２ 分析與討論

水輪機(jī)尾水管進(jìn)人門連接螺栓一般需進(jìn)行淬火 加回火的調(diào)質(zhì)處理以達(dá)到使用要求.在淬火工藝 中,由于加熱溫度較高,螺栓表層碳原子因受熱振動(dòng) 脫離金屬晶格的束縛逃逸,從而在螺栓表面形成大 量的全脫碳層.在熱力作用下全脫碳層鐵素體晶粒 長(zhǎng)大較為嚴(yán)重,且與基體的回火索氏體組織差別較 大,淬火過程中在較大的組織應(yīng)力及膨脹系數(shù)差產(chǎn) 生的應(yīng)力作用下沿全脫碳層鐵素體晶界形成微裂 紋.螺桿與六角頭連接變截面及螺紋牙底等部位存 在微裂紋,同時(shí)由于全脫碳層硬度低[５Ｇ６],導(dǎo)致上述 部位的抗疲勞性能嚴(yán)重降低[７Ｇ１１].

對(duì)于混流式水輪機(jī),在偏離最優(yōu)工況的小開度 區(qū)和大開度區(qū)時(shí),轉(zhuǎn)輪出口會(huì)有不同程度的回流使 尾水管內(nèi)形成低頻壓力脈動(dòng)[１２],從而對(duì)進(jìn)人門產(chǎn)生 非穩(wěn)定的脈動(dòng)沖擊,使進(jìn)人門連接螺栓承受循環(huán)沖 擊載荷.在循環(huán)沖擊載荷作用下,螺栓會(huì)在全脫碳 層的晶界微裂紋處形成疲勞源,且裂紋在尾水管過 流產(chǎn)生的循環(huán)載荷作用下不斷擴(kuò)展.

螺栓的組織中存在較多的塊狀鐵素體,說(shuō)明螺 栓在淬火過程中加熱溫度偏低或保溫時(shí)間不足,鐵 素體向奧氏體轉(zhuǎn)變不充分.此外,大量塊狀鐵素體 的存在會(huì)降低螺栓的強(qiáng)度和韌性[１３],使其抵抗疲勞 斷裂的能力大幅下降.

螺栓表面較粗糙,推測(cè)這是由于在前期車削加 工中刀口較粗糙造成螺栓表面損傷,這易造成應(yīng)力 集中,導(dǎo)致螺栓抗疲勞性能下降.此外,從斷口形貌 可以看出,螺栓斷口大部分區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū),該區(qū)域疲 勞條紋密集,說(shuō)明螺栓在使用過程中承載的應(yīng)力水 平較低且應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多,呈現(xiàn)典型的高周低應(yīng) 力疲勞斷裂特征,即螺栓不存在過載荷使用的情況.

３ 結(jié)論及建議

尾水管進(jìn)人門連接螺栓在加工過程中由于熱處 理控制不當(dāng),造成螺栓表層形成大量的全脫碳層,并 使螺栓組織中存在較多的塊狀鐵素體,降低了螺栓 的強(qiáng)度和韌性,造成其抵抗疲勞斷裂的能力不足. 在尾水管過流產(chǎn)生的循環(huán)沖擊載荷作用下,在全脫 碳層的晶界微裂紋處形成疲勞源,并以高周低應(yīng)力 方式擴(kuò)展至斷裂.

為保證進(jìn)人門連接螺栓的質(zhì)量,首先應(yīng)嚴(yán)格控 制螺栓熱處理工藝,防止形成全脫碳層;其次應(yīng)優(yōu)化加工工藝,通過降低表面粗糙度等方式增強(qiáng)螺栓的 抗疲勞性能;再次應(yīng)優(yōu)化水輪機(jī)的運(yùn)行工況,避免頻 繁出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪出口回流現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致螺栓斷裂失效.

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