火电机组电动给水泵风扇螺栓断裂分析

李日照，王 鲁，陈志荣，陈卓婷，朱海宝

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

火电机组系统庞大，设备众多，易发生运行异常及设备缺陷。及时消除设备缺陷或隐患是保护机组安全与经济运行的重要环节之一[1-6]。某火电机组停机过程中，启动电动给水泵运行时，发现设备异常。拆除电动给水泵水冷器检查时，发现转子冷却风扇松脱，与转子本体联接的6组螺栓中5组断裂。电动给水泵电机型号为YKS900-4 额定功率8 000 kW，额定电压6 kV，转速1 494 r/min，额定电流858 A。现欲对该电动给水泵转子风扇螺栓断裂断裂原因进行相关试验研究与分析，并提出预防及改进措施，以防止此类情况再次发生。

1 试验材料及方法

试验材料为其中一根断裂螺栓(电厂提供)，该电动给水泵转子风扇固定螺栓的性能等级为A2-70(表示材质为奥氏体不锈钢，组别为A2，抗拉强度≥700 MPa)，规格为M12×25，累计运行时间为100多小时。分析方法主要包括金相组织观察，设备型号为徕卡DMI5000金相显微镜；维氏硬度检测，设备型号为沃伯特402MVD显微维氏硬度计；扫描电镜分析，设备型号为TESCAN VEGA3 LM扫描电子显微镜等。

2 试验结果与分析

2.1 宏观形貌

图1所示为某断裂螺栓的宏观形貌，可见螺栓发生了明显弯曲变形，断口表面较平整，且明显有从图片右侧向图片左侧发散的痕迹，可推测螺栓的起裂源在图1所示位置处。

图1 某断裂螺栓的宏观形貌

2.2 微观形貌

图2所示为断裂螺栓螺牙的纵剖面形貌，其中图2(a)为正常螺牙，图2(b)、 2(c)为变形螺牙，图2(d)为发生剪切变形的螺牙，图2(e)为根部组织被挤压变形的螺牙。可见弯曲变形处的螺牙因挤压发生了严重变形、滑移以及折断，表明该螺栓在断裂前承受了较大的横向剪切力，使得螺栓发生严重弯曲变形、开裂并最终被拉断。

图2 螺牙形貌

2.3 维氏硬度

对断裂螺栓进行了维氏硬度检验，检验位置如图3所示，检验结果见表1。可见，靠近断口位置的维氏硬度值(检验位置2和3)明显高于远断口位置(检验位置1和4)，且螺栓边部的维氏硬度明显高于心部。表明在螺栓受力变形过程中发生了明显加工硬化，且变形越大，加工硬化程度越高。

图3 维氏硬度检验位置示意图

表1 维氏硬度检验结果

2.4 断口SEM分析

对送检螺栓的断口进行了SEM分析，见图4。由图4(a)和4(b)可见，螺栓断口缓慢扩展区有大量韧窝，具有明显韧性断裂特征；随着向瞬断区移动观察，发现局部开始出现解理断裂特征，表明该区域扩展加速，如图4(c)和4(d)所示；最后瞬断区的断面韧窝相对较少，出现大面积平整、光滑的断面，表明该区域大部分为解理断裂，如图4(e)和4(f)所示。因此，该螺栓的断裂初始阶段为韧性断裂，之后随着断裂过程的进行，逐渐转变为解理断裂。

2.5 螺栓断裂原因分析

与转子本体联接6组螺栓中有5组断裂，断裂螺栓断面宏观形貌见图5，其中5号为送检螺栓，其他4根断裂螺栓图片由可门电厂提供。由图5(a)可见，1号螺栓断口有明显疲劳特征[7-11]，说明该螺栓断裂前承受了交变应力作用并最终发生疲劳断裂；而观察图5(a)—图5(e)所示的其他几根螺栓的断口可见，除2号螺栓局部有疑似轻微疲劳痕迹外，3～5号螺栓均未发现明显疲劳特征。考虑该部件运转时间并不长，累计运行时间为100多小时，因此推测断裂原因应是1号螺栓发生松动引起的。

图4 断口形貌SEM分析

图5 断裂螺栓的宏观形貌

螺栓松动断裂的情况和疲劳断裂的情况大体相同[12-15]，螺纹紧固件在横向振松实验中只需100次即可松动。当1号螺栓松动后，风扇运转过程中形成强大气流，产生巨大的动能，这种巨大的动能直接作用于紧固件及设备，致使1号螺栓在交变应力作用下发生疲劳损坏。而1号螺栓断裂后，由于其他螺栓处于超负载状态，故很快也被拉断或剪断。其中受轴向力作用的紧固件，螺纹被破坏，螺栓被拉断；而受径向力作用的紧固件，螺栓被剪断，螺栓孔被打成椭圆。随着其他紧固件接连损坏，最终导致了设备损坏。

3 结 语

此次螺栓断裂导致设备损坏的主要原因是1号螺栓发生松动。螺纹紧固件松动后，风扇运转过程中形成强大气流，产生巨大的动能，这种巨大的动能直接作用于紧固件及设备，在交变应力作用下致使该螺栓发生疲劳直至损坏变形，随后导致其他紧固件接连损坏变形，最终导致设备损坏。在螺栓损坏变形过程中会发生明显加工硬化现象，且变形越大，加工硬化程度越高。

建议新采购设备的紧固件应选用更高强度级别的材质并采取一定的防松措施。螺栓防松动常用防松方法有3种：摩擦防松、机械防松和永久防松。常见摩擦防松方法：利用垫片、自锁螺母及双螺母等。常见的机械防松方法：利用开口销、止动垫片及串钢丝绳等。常用的永久防松方法：点焊、铆接、粘合等，但这种方法在拆卸时大多要破坏螺纹紧固件，无法重复使用。