分享：立轴混流式水轮机尾水管进人门连接螺栓断裂失效分析

摘 要:某大型水电站水轮机在运行过程中发生尾水管进人门连接螺栓断裂.通过宏观和微观 形貌分析、化学成分分析、金相检验、力学性能试验等方法对螺栓断裂的原因进行了分析.结果表 明:由于螺栓的热处理工艺不当,其表层形成严重的全脱碳层,降低了螺栓的抗疲劳性能;螺栓基体 中块状铁素体较多,降低了强度裕量和韧性裕量.在尾水管过流产生的循环冲击载荷作用下,沿全 脱碳层的微裂纹形成了疲劳开裂,并扩展至断裂. 

关键词:水轮机;尾水管;螺栓;断裂;全脱碳层 

中图分类号:TK７３５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６５３Ｇ０４

尾水管是大型水轮发电机组的重要部件,其主 要作用是利用下游水面到机组转轮出口的高程差, 在转轮出口形成静力真空,从而将该处水流引向下 游;还能利用转轮出口的水流动能,将其转换为动力 真空以回收水流能量从而提高发电效率[１].因此, 尾水管工作状态正常与否直接关系到水轮发电机组 能否安全稳定运行.

黄河中游某大型水电站２号机组为 HLFN２３５Ｇ LJＧ６１０型立轴混流式水轮机(功率为１８０ MW),该 水轮机采用金属蜗壳,转轮标称规格为?６．０８７ m, 由两个规格为?４９０mm 的直缸式接力器通过其传 动机构控制２４只导叶,以调节水轮机的力度和停机 切断水流,采用弯肘型尾水管导流及回收能量.该 水轮机在运行过程中发生尾水管进人门连接螺栓断 裂失效.此次断裂发生时,该批次螺栓已累计使用 约７６０００h.

为查明进人门连接螺栓的断裂原因,笔者对其 进行了理化检验及分析. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

尾水管进人门连接螺栓是８．８级高强螺栓,材 料为４０Cr钢,规格为 M３０mm×１２０mm.对尾水管进行宏观检查,由图１可见,尾水管进人门连接螺 栓表面较粗糙且锈蚀严重,断裂处位于螺杆与六角 头连接的变截面过渡部位;断口表面整体较平整,未 见明显的塑性变形;断口与螺栓轴线垂直,存在起裂 区、扩展区及瞬断区,为典型的疲劳断口形貌[２].起 裂区位于断口边缘,扩展区占据了断口表面大部分 区域,该区域呈暗灰色,表面细密平滑,可以观察到 较清晰的“海滩状”疲劳条纹.瞬断区位于和起裂区 对称的断口边缘,其所在区域面积约为断口面积的 １/１０,表面较粗糙.此外,断口及附近区域未见机械 损伤及腐蚀损伤等缺陷.

１．２ 断口分析 

对断口进行微观形貌观察.由图２a)可见,疲 劳源位于断口边缘且为多源性开裂,随着裂纹的扩 展,各裂纹源的裂纹趋向合并,在不同断裂平面交汇 处形成错层台阶.由图２b)可见,在断口扩展区存 在明显的疲劳辉纹,在接近疲劳源的区域疲劳弧线 较细密,说明在该区域裂纹扩展较缓慢;在远离疲劳 源的区域疲 劳 弧 线 较 稀 疏 ,说 明 裂 纹 扩 展 速 率 加快[３].此外,断 口 上 还 存 在 大 量 的 二 次 裂 纹.由 图２c)可见,瞬断区内撕裂棱与韧窝共存,呈现出准 解理断裂特征.

１．３ 化学成分分析 

对进人门连接螺栓取样,采用 SPECTROLAB MAXx型火花源原子发射光谱仪对试样的化学成 分进行分析,结果见表１.可见该螺栓的化学成分 在 GB/T３０７７－２０１５«合金结构钢»对４０Cr钢的成 分要求范围内.

１．４ 金相检验 

对进人门连接螺栓截取断口位置制样,试样经 磨制、抛光后,采用体积分数为４％的硝酸酒精溶液 浸蚀,然后使用 AxioObserverAlm 型研究级倒置 金相显微镜进行观察.由图３a)可见,螺栓基体显 微组织为回火索氏体＋块状铁素体,说明螺栓调质 处理工艺不当,加热温度较低或保温时间不足,造成 铁素体未完全奥氏体化而存在较多块状铁素体.由 图３b)可见,螺杆表层存在厚度约４０μm 的全脱碳 层组织及７０μm 的半脱碳层组织[４]. 

１．５ 力学性能试验 

采用 CMT５３０５型电子万能材料试验机对进人 门连接螺栓进行力学性能测试,试验结果见表 ２. 可以看出螺栓的维氏硬度和－２０ ℃下的冲击吸收 能量均符合 GB/T３０９８．１－２０１０«紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱»的要求;根据 GB/T１１７２－１９９９ «黑色金属硬度及强度换算值»,将硬度测试值换算 成抗拉强度后,其抗拉强度也符合该标准要求.

２ 分析与讨论 

水轮机尾水管进人门连接螺栓一般需进行淬火 加回火的调质处理以达到使用要求.在淬火工艺 中,由于加热温度较高,螺栓表层碳原子因受热振动 脱离金属晶格的束缚逃逸,从而在螺栓表面形成大 量的全脱碳层.在热力作用下全脱碳层铁素体晶粒 长大较为严重,且与基体的回火索氏体组织差别较 大,淬火过程中在较大的组织应力及膨胀系数差产 生的应力作用下沿全脱碳层铁素体晶界形成微裂 纹.螺杆与六角头连接变截面及螺纹牙底等部位存 在微裂纹,同时由于全脱碳层硬度低[５Ｇ６],导致上述 部位的抗疲劳性能严重降低[７Ｇ１１]. 

对于混流式水轮机,在偏离最优工况的小开度 区和大开度区时,转轮出口会有不同程度的回流使 尾水管内形成低频压力脉动[１２],从而对进人门产生 非稳定的脉动冲击,使进人门连接螺栓承受循环冲 击载荷.在循环冲击载荷作用下,螺栓会在全脱碳 层的晶界微裂纹处形成疲劳源,且裂纹在尾水管过 流产生的循环载荷作用下不断扩展.

螺栓的组织中存在较多的块状铁素体,说明螺 栓在淬火过程中加热温度偏低或保温时间不足,铁 素体向奥氏体转变不充分.此外,大量块状铁素体 的存在会降低螺栓的强度和韧性[１３],使其抵抗疲劳 断裂的能力大幅下降. 

螺栓表面较粗糙,推测这是由于在前期车削加 工中刀口较粗糙造成螺栓表面损伤,这易造成应力 集中,导致螺栓抗疲劳性能下降.此外,从断口形貌 可以看出,螺栓断口大部分区域为扩展区,该区域疲 劳条纹密集,说明螺栓在使用过程中承载的应力水 平较低且应力循环次数较多,呈现典型的高周低应 力疲劳断裂特征,即螺栓不存在过载荷使用的情况.

３ 结论及建议 

尾水管进人门连接螺栓在加工过程中由于热处 理控制不当,造成螺栓表层形成大量的全脱碳层,并 使螺栓组织中存在较多的块状铁素体,降低了螺栓 的强度和韧性,造成其抵抗疲劳断裂的能力不足. 在尾水管过流产生的循环冲击载荷作用下,在全脱 碳层的晶界微裂纹处形成疲劳源,并以高周低应力 方式扩展至断裂. 

为保证进人门连接螺栓的质量,首先应严格控 制螺栓热处理工艺,防止形成全脱碳层;其次应优化加工工艺,通过降低表面粗糙度等方式增强螺栓的 抗疲劳性能;再次应优化水轮机的运行工况,避免频 繁出现转轮出口回流现象,进而导致螺栓断裂失效.

参考文献: 

[１] 王钧．万家寨水电站采用尾水管修型法提高水轮机 效率[J]．内蒙古电力技术,２００１,１９(３):４６Ｇ４７． 

[２] 钟群鹏,赵子华．断口学[M]．北京:高等教育出版社, ２００６:２４３Ｇ２５２． 

[３] 赵强,柴建峰,马传宝,等．某抽水蓄能电站顶盖螺栓 断裂原因 分 析 [J]．长 江 科 学 院 院 报,２０１９,３６(１): １３４Ｇ１３８． 

[４] 孟文华,曾伟传,顾静青,等．１０．９级螺栓早期疲劳断 裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(５): ３６５Ｇ３６７． 

[５] LEE H G,IM H B, KIM Y G．Effects of decarburizationandnormalizingheattreatmentinboronＧ siliconironalloys[J]．Metallurgical Transactions A, １９８６,１７(８):１３５３Ｇ１３５９． 

[６] ZHANGCL,LIU YZ,ZHOU L Y,etal．Forming conditionandcontrolstrategyofferritedecarburizationin ６０Si２MnAspringsteelwiresforautomotivesuspensions [J]．InternationalJournalof Minerals,Metallurgy,and Materials,２０１２,１９(２):１１６Ｇ１２１． 

[７] 李家宝,覃明,刘凤智,等．弹簧钢６０Si２Mn脱碳层软 化的表征与研究[J]．金属学报,２０００,３６(３):２８７Ｇ２９０． 

[８] 韩克甲,赵晓辉,李洪伟．３５CrMo钢高强螺栓断裂失 效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(６):４３４Ｇ ４３６． 

[９] 王丽萍,柳洋波,张玮,等．６０Si２Mn弹簧钢全脱碳的 影响因素[J]．金属热处理,２０１４,３９(３):７Ｇ１２． 

[１０] GILDER M J．Relationshipbetweendecarburization and fatigue strength of throughＧhardened and carburizing steel[J]．Materials Science and Technology,１９９１,７(４):３０７Ｇ３１０． 

[１１] 张涛,陈浩,田峰,等．超临界电站锅炉磨煤机加载架 高强螺栓断裂分析[J]．热加工工艺,２０１８,４７(２２): ２５０Ｇ２５２． 

[１２] 周凌九,王正伟,黄源芳．转轮出口流态对尾水管内 压力脉动的影响[J]．清华大学学报(自然科学版), ２００２,４２(１２):１６７０Ｇ１６７３． 

[１３] 戴玉同,陈洪,钱喜根．４２CrMo钢大环锻件的热处理 工艺改进[J]．金属热处理,２０１４,３９(１):１２０Ｇ１２３．

文章来源——材料与测试网