水轮机大轴螺栓裂纹形成机理研究.pdf

《水轮机大轴螺栓裂纹形成机理研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第43卷第23期人民长江V01．43，No．232012年12月YangtzeRiverDec．，2012文章编号：1001—4179(2012)23—0051—03水轮机大轴螺栓裂纹形成机理研究万克洋，黄桥生，谢国胜，陈红冬，谢亿(湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙410007)摘要：某水电厂大轴联接螺栓材质为$35C钢，大约在服役6．5万h后产生裂纹。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、直读光谱仪、能谱分析仪、显微硬度机、拉伸试验机及冲击功试验机等手段，对螺栓宏观、化学成分、硬度、室温力学性能、金相、能谱和电子显微形貌开展了分析试验研究。结果表明，

2、因螺栓为非正常的网状铁素体组织，致使螺栓冲击功明显降低，螺栓基体中某些夹杂物及显微孔洞的存在，使局部应力集中，孔洞在拉应力的作用下随形变过程不断扩大、贯通，最后形成较大的裂纹。关键词：$35C；水轮机；大轴螺栓；开裂；机理分析中图法分类号：TV734．1文献标志码：A湖南某水电厂安装的机组为灯泡贯流式，由13本分别进行金相、硬度、室温力学性能等试验。13立公司设计，中国哈尔滨电机厂制造，于2000年12月投运发电。2011年末，机组停机检修，对水轮机大轴与转轮连接螺栓进行了超声波检测，结果发现有2个螺栓存在裂纹。1螺栓结构及尺寸发电机组转轮和水轮机

3、主轴联接法兰上有18个孔，共6组，每组中包括2个螺栓孔和1个销钉孔。销图1螺栓结构示意(单位：mm)钉传递所有扭矩和承受所有的剪力¨1；螺栓承受轴向拉压应力。螺栓分布状况及联轴螺栓的几何尺寸如图1所示。机组所受稳态载荷中对联轴螺栓受力起作用的有轴向水推力、水轮机转轮重力及螺栓预紧力。2裂纹原因分析2．1裂纹宏观形貌裂纹位置为螺栓螺纹位置，裂纹跨越2个螺纹沿周向延伸。裂纹长70mm，解剖后测量的裂纹深30mm，见图2、图3。2．2试验分析图2螺栓裂纹宏观形貌根据设计图纸要求，$35C螺栓性能应符合2．2．1化学成份试验JISG4051—2008的要求

4、。取有裂纹的螺栓试样(编号对编号A、B的螺栓分别取样进行化学成份分析。A)，拆卸同期服役无裂纹的螺栓试样(编号B)，对其其化学成份详见表1。收稿日期：2012—05—30作者简介：克洋，男，工程师，主要从事电力设备检测与失效分析。E—mail：jorsen．h@tom．com52人民长江2012年口夹杂能谱图及其杂质含量。由图8～10可知，螺栓材质中含有少量的Mn、S等夹杂物，断面上有显微孔洞。图3解剖后螺栓裂纹形貌表1化学成份分析化学成份螺栓编号图4螺牙裂纹金相组织A0．36O0．0150．023B0．3800．0300．025JIs“05l一2

5、0080．32—0．38060鼹跖加9O0；拍凹加3≤0．035≤0．030由表I可知，试样的化学成份基本符合标准规定的要求。2．2．2室温力学性能在A螺栓螺杆的边部、B螺栓螺杆的边部分别取样，开展室温力学试验。其室温力学性能试验结果如表2。图5裂纹中部金相组织表2螺栓力学性能从试验数据可以看出，A、B螺栓边部的屈服强度、抗拉强度、硬度均满足标准要求。B螺栓冲击功满足标准要求，但A螺栓冲击功低于标准的要求。2．2．3金相试验图6裂纹芯部尖端金相组织图4所示为螺牙处裂纹金相组织。螺牙处有1条长裂纹(裂纹1)向内延伸，邻近螺牙有1条环形裂纹，金相组织为

6、珠光体+网状铁素体。图5所示为螺栓中间金相组织，裂纹1端部有1条与之平行的裂纹2，裂纹3将裂纹1与裂纹2连接，金相组织为珠光体+网状铁素体。图6为横向截面芯部金相组织，裂纹2端部形貌，裂纹穿晶开裂，金相组织为珠光体+网状铁素体。取B螺栓横截面制取金相样品，用4％硝酸酒精浸蚀，在蔡司金相显微镜下观察，金相组织见图7，组织为回火索氏体+少量铁素体。2．2．4扫描电镜试验图7B螺栓边部横截面金相组织2．3原因分析对A螺栓断口取样进行电镜分析，结果如图8～10所示。图8为断面扫描电镜图；图9和图10为断螺栓断裂位置为螺栓螺纹位置，该位置为螺栓的第23期万克

7、洋，等：水轮机大轴螺栓裂纹形成机理研究53应力集中区。断裂螺栓边部和芯部的金相显微组织为从断裂螺栓扫描电镜分析结果可知，电子探针试珠光体+网状铁素体。网状铁素体的存在，破坏了组验处有Mn、S夹杂物。螺栓承受的载荷达到一定程度织的连续性，致使基体强度明显降低㈨。后，夹杂物就会裂开或夹杂物与金属界面发生分离，并在周围逐渐形成显微孔洞，这些孔洞会随形变过程不断增大、贯通，最后形成较大的裂纹，最终导致断3裂。‘33小结综上所述，网状铁素体的存在，破坏了组织的连续性，致使基体强度明显降低，螺栓服役时，Mn、S夹杂物造成基体局部应力集中而产生裂纹源是产生裂纹的

8、内在因素。螺栓头根部过渡区是螺栓的应力集中区，图8断口扫描电镜若安装不符合要求，螺栓承受较大的应力是裂纹产生的外在因素。螺