分享：低压加热器疏水泵导流壳连接螺栓断裂失效分析

摘 要:针对某电厂低压加热器疏水泵导流壳连接螺栓的断裂失效,采用宏观检查、化学成分分 析、硬度试验、金相检验、扫描电镜断口分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:螺栓断 裂为典型的韧性过载断裂;一方面螺栓牙底存在成型缺陷产生应力集中,降低螺栓承载能力,另一 方面疏水系统运行状态不稳使疏水泵受到较大冲击载荷,二者共同作用导致结合面部位的连接螺 栓于螺牙底部应力集中部位发生过载断裂失效.最后提出了改进建议. 

关键词:疏水泵;连接螺栓;过载断裂;成型缺陷;振动;失效分析 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４４７Ｇ０６ 

低压加热器(简称低加)疏水系统是发电厂重要 的系统之一,其主要功能是把表面式加热器的汽侧疏 水收集并汇集于主凝结水或主给水系统.疏水收集 方式主要有逐级自流和疏水泵收集两种方式.其中 疏水逐级自流方式具有简单、可靠等优点,但是疏水 全部逐级流入凝汽器热井,经循环冷却水冷却后通过 凝结水泵打入低压加热器,再利用抽汽加热凝结水. 此过程中低压加热器的疏水经冷却后再加热,增加了 系统的能量损失;同时由于疏水逐级回流要排挤低压 抽汽,这会产生不可逆损失.为了尽可能减少这种损 失,发电厂多采用疏水泵收集方式,增加疏水泵能有 效截流疏水,降低疏水温度,彻底消除疏水自流造成 的负面影响,从而提高机组的热经济性[１Ｇ３].

某电厂给水加热器疏水回收系统从低压加热器 壳侧收集凝结水送入低压加热器疏水箱.每台机组 共有２台疏水泵,２台疏水泵均为５０％容量的卧式 多级离心泵,每台疏水泵用于一个低压加热器系列. 断裂的螺栓为疏水泵第１级和第２级导流壳之间的 连接螺栓,断裂位置如图１所示.该螺栓于２０１５年 １２月安装,断裂时间为２０１６年９月,服役仅１０个 月.螺栓型号为M８×４０,材料为 A２Ｇ７０不锈钢,断 裂螺栓共５根(依次编号为１~５号),对比螺栓１根(编号为６号).为查明该疏水泵导流壳连接螺栓断 裂失效的原因,笔者对其进行了检验和分析,并提出 了改进建议,为机组的后续安全稳定运行提供保障.

１ 理化检验 

１．１ 宏观检查 

宏观检查发现:１~４号失效螺栓的断裂位置基 本一致,均位于距离螺栓头部约１６mm 处第５~８ 个螺牙的底部,５号失效螺栓断裂位置位于距离螺 栓头部约１６mm 处第５~６个螺牙的底部;断口附 近均存在明显的宏观塑性变形,失效螺栓断口与螺 栓轴线约呈４５°角,断口表面较粗糙,且色泽灰暗, 未见腐蚀特征,如图２所示.

１．２ 化学成分分析 

对１~６号螺栓分别取样进行化学成分分析,结 果见表１.可见所有螺栓的化学成分均符合 GB/T ３０９８．６－２０１４«紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉 和螺柱»对 A２Ｇ７０不锈钢螺栓的技术要求. 

１．３ 硬度试验 

在横向金相检验面上进行维氏硬度试验,试验 设备为 HVＧ５０型自动转塔数显维氏硬度计,试验条 件如下:负荷９８N(１０kgf)、负荷保持时间１０s,试 验标准为 GB/T４３４０．１－２００９«金属材料 维氏硬度 试验 第１部分:试验方法». 

硬度试验结果如表２所示,可见所有螺栓的维 氏硬度在３２９．５~３５４．７ HV,断裂螺栓和正常螺栓 之间未 见 明 显 差 异;另 GB/T３０９８．６－２０１４ 未 对 A２Ｇ７０不锈钢螺栓的维氏硬度作具体要求.

１．４ 金相检验 

在失效螺栓和对比螺栓上分别截取金相试样进 行显微组织检验、螺牙成型质量检验和非金属夹杂 物 检 验. 测 试 设 备 为 ZEISS AXIOVERT ２００ MAT 研究级倒置万能金相显微镜和 VHＧ１０００ 体 视显微镜.检测标准为 GB/T１３２９９－１９９１«钢的 显微组织评定方法»、GB/T１０５６１－２００５«钢中非金 属夹杂物含量的测定———标准评级图显微检验法».

１．４．１ 非金属夹杂物检验 

非金属夹杂物检验结果如下:１号螺栓的非金 属夹杂物类别及等级为 D１;２号螺栓的非金属夹杂 物类别及等级为 D０．５;３号螺栓的非金属夹杂物类 别及等级为 D１;４号螺栓的非金属夹杂物类别及等 级为 B１,D０．５;５号螺栓的非金属夹杂物类别及等 级为 D１;６ 号螺栓的非金属夹杂 物 类 别 及 等 级 为 D１.可见所有螺栓材料的纯净度均较佳.

１．４．２ 显微组织检验

１~６号螺栓横向剖面显微组织形貌如图３所 示,均为奥氏体,晶粒度为７~８级,断裂螺栓和正常 螺栓之间未见明显差异.

１．４．３ 螺牙成型质量检验

１~６号螺栓的螺牙形貌如图４~９所示.由图 ４~８可见,失效螺栓牙顶有轻微折叠缺陷,近断口 处的牙底部位亦存在折叠缺陷,螺牙表面有厚度不 均匀的形变硬化层,２号和４号螺栓断口侧牙顶和 ５号螺栓断口两侧牙顶均存在明显的变形.由图９可见,６号螺栓螺牙表面亦存在厚度不均匀的形变 硬化层,牙顶也有轻微折叠缺陷.

１．５ 断口微观分析

对 断 裂 螺 栓 断 口 使 用 TESCAN VEGA TS５１３６XM 扫描电镜(SEM)进行微观特征分析,测 试标准为JY/T０１０Ｇ１９９６«分析型扫描电子显微镜 方法通则».

螺栓断口微观分析结果如图１０所示.所有失 效螺栓断裂均启始于螺栓牙底部位,断口各区域形 貌特征均为典型的韧窝.

２ 综合分析 

综合以上理化检验结果分析,失效螺栓和对比 螺栓的化学成分均满足 GB/T３０９８．６－２０１４对 A２Ｇ ７０不锈钢螺栓成分的技术要求;参考相关标准对硬 度试验结果进行换算,断裂失效螺栓抗拉强度约为 １１００MPa,满足 GB/T３０９８．６－２０１４对 A２Ｇ７０不 锈钢螺栓强度的技术要求;失效螺栓的非金属夹杂 物含量较低,材料的纯净度较佳,显微组织为奥氏 体,晶粒度为７~８级,未见组织异常情况.由此,可 以排除螺栓原材料材质不合格引起断裂失效的可 能.但由金相检验结果可知,螺栓存在牙底成型缺 陷,缺陷处可以成为螺栓失效的敏感区域[４]. 

其次,螺栓断口附近存在明显的宏观塑性变形, 失效螺栓断口与螺栓轴线约呈４５°角,断口各区域 微观形貌均为韧窝,为典型的韧性过载断裂断口.

再次,螺栓断裂位置基本处于同一位置,均位于１级和２级导流壳安装结合面处,且启裂位置均处 于螺纹牙底.该机组所用疏水泵为卧式多级离心 泵,最 小 流 量 为 ６９．２ m３ ?? h－１,最 大 流 量 为 ２４０m３??h－１.研究 表 明[５Ｇ７],当 疏 水 泵 启 停 时,吸 入泵中的空气将在输送液体中以溶解态或者非溶解 态的形式存在,当管道或者离心泵内含有大量气泡 时,这些气泡便会大量聚集在管道系统或者离心泵 的某些部位,进而形成气囊,气囊破灭时会对疏水泵 产生较大的冲击,从而导致结合面部位的连接螺栓 在螺纹牙底缺陷应力集中处发生过载断裂失效.

３ 结论及建议

低压加热器疏水泵导流壳连接螺栓存在牙底成 型缺陷,形成应力集中,加之疏水泵受到过大冲击载 荷,从而导致结合面部位处的连接螺栓于应力集中 的螺纹牙底发生过载断裂失效.

建议一方面加强螺栓质量检查,避免存在牙底成型缺陷的螺栓投入使用;另一方面,由于疏水系统 在启停时易吸入空气,以及在运行中大的流量变化, 使得疏水泵承受较大的冲击载荷,因此建议在疏水 泵启动时进行排空处理,同时控制运行中大的流量 波动速度,保证疏水泵长期安全稳定运行.

参考文献: 

[１] 李路江,王建．低压加热器疏水系统改进及经济性分 析[J]．热力发电,２００８,３７(１２):６２Ｇ６４． 

[２] 林万超．火电厂热系统节能理论[M]．西安:西安交通 大学出版社,１９９４． 

[３] 刘亚昆,肖增弘．３００ MW 机组低压加热器疏水系统 优化[J]．沈阳工程学院学报(自然科学版),２０１３,９ (３):２３５Ｇ２３７． 

[４] 温爱玲,路文娟,王生武,等．３５CrMo螺栓断裂分析 [J]．理化检验(物理分册),２０１４,５０(９):６７４Ｇ６７６． 

[５] 刘子荣．低压加热器疏水泵振动原因分析[J]．科技信 息,２０１３(１３):１２３Ｇ１２４． 

[６] 尹萍．低加疏水泵出口管道振动诊断与排除[J]．汽轮 机技术,２００２,４４(１):４８Ｇ５０． 

[７] 李晓辉．３５０MW 汽轮机低加疏水泵故障原因探讨和 预防[J]．电站辅机,２００７,２８(２):２３Ｇ２５．

文章来源——材料与测试网