油动机底座连接螺栓断裂原因

刘嘉伟, 王天剑, 刘禹炯

(1.长寿命高温材料国家重点实验室, 德阳 618000； 2.东方电气集团东方汽轮机有限公司, 德阳 618000)

油动机作为一种液压装置机构，以其惯性小、驱动力大、动作快、可靠性高等优点广泛应用于汽轮机阀门的调节，继而达到控制机组安全运行的目的[1]。某电厂机组投运时间5 a(年)左右，在检修时发现中压调节阀油动机底座的连接螺栓断裂。调节阀安装在汽轮机的每个中压进汽管道上，阀碟通过阀杆和连接件与油动机的活塞连接，油动机通过活塞上下运动控制阀门开合，油动机底座的连接螺栓在阀门开合动作时承受循环冲击载荷。断裂螺栓的材料为35CrMoA钢，规格为M30，性能等级为8.8级，表面镀锌处理，螺栓断裂位置如图1所示。为查明连接螺栓的断裂原因，笔者对其进行了检验与分析。

图1 螺栓断裂位置示意图Fig.1 Diagram of fracture location of the bolts

1 理化检验

1.1 宏观分析

在油动机同侧位置，油动机底座连接螺栓断裂两根，取其中一根进行分析。图2为断裂螺栓的宏观形貌，可见断裂发生在较短螺纹端部(插入底座一端)第一齿位置，该处为螺栓应力集中较大的区域。图3为断裂螺栓断口的宏观形貌，可以明显看到断口分为3个区域，裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区。整个断面除了瞬断区外，其余区域较为平滑，断面与螺栓中轴线基本垂直。裂纹源区范围较大，肉眼可见存在多个裂纹源；裂纹扩展区可以看到非常明显的贝纹线，贝纹线较为细密。从断裂螺栓的断口宏观分析可知，螺栓的断裂类型为高周疲劳断裂[2]。

图2 断裂螺栓宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt

1.2 化学成分分析

从断裂螺栓上截取试样，采用ARL 34600135型直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果见表1。可见断裂螺栓的化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》中对35CrMoA钢的成分要求。

图3 断裂螺栓断口的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

1.3 力学性能试验

为验证螺栓的力学性能是否满足标准要求，从断裂螺栓上取样，依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》进行室温拉伸试验、冲击试验和硬度试验，试验结果见表2，可见断裂螺栓的强度满足设计要求，但硬度偏下限值。

表1 断裂螺栓的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

表2 断裂螺栓的力学性能试验结果Tab.2 Mechanical properties test results of the fractured bolt

1.4 金相检验

在螺栓上截取试样,经镶嵌、打磨、抛光后用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液进行浸蚀，采用光学显微镜观察其显微组织形貌，如图4所示。可见该螺栓心部的显微组织存在一定的带状偏析，其显微组织为回火索体+块状铁素体，晶粒度为7级。

1.5 扫描电镜分析

断裂螺栓的断口经无水酒精超声波清洗、干燥后，置于JSM-6490LV型扫描电镜(SEM)下进行观察。断裂螺栓断口的SEM形貌如图5所示，可见断口边缘有多条明显裂纹，从边缘向中心扩展，呈现多源开裂的特点。裂纹扩展区存在疲劳条带，间距较小，呈现出受到高周应力迹象。瞬断区出现解理台阶，呈现出失稳断裂的脆性断裂特征。

图4 断裂螺栓的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of the fractured bolt

图5 断裂螺栓断口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of the fractured bolt: a) the final fracture area, at low magnification; b) the final fracture area; at high magnification; c) the crack growth area; d) the crack source area

1.6 螺纹根部检查

采用线切割将裂纹源区的其中一处切开，检查裂纹源的起源位置，如图6所示，可见裂纹源位于螺纹的倒角处。

图6 裂纹源位置示意图 Fig.6 Diagram of the crack source location

检查螺纹倒角的加工情况，在螺纹倒角位置发现微裂纹，如图7所示。

图7 螺纹倒角宏观形貌Fig.7 Macro morphology of thread chamfer: a) inspection surface; b) microcrack

2 分析与讨论

由理化检验结果可知，断裂螺栓的化学成分、力学性能均符合标准要求。35CrMoA钢正常调质处理的显微组织为细密均匀的回火索氏体，而断裂螺栓的显微组织存在较多块状铁素体，这就使得基体硬度偏标准值的下限[3]。断裂螺栓断口的宏观形貌和SEM形貌具备疲劳断口的特征，由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区3部分组成，裂纹扩展区具有典型的贝壳状条纹，确定螺栓为疲劳断裂[4]。裂纹源区截面显示裂纹是从螺纹倒角处起源的，对螺纹倒角表面检查时，发现倒角存在多处微小裂纹缺陷，导致局部应力集中，且第一齿螺牙处是受力最大的位置[5]。螺栓显微组织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，或者保温时间不足，铁素体向奥氏体转变不充分，这种组织使得螺栓疲劳强度降低[6]。螺栓在阀门开合动作时受到循环的冲击载荷，因此螺栓在倒角应力集中区域开裂，最终疲劳扩展断裂。