電廠脫硫增壓風機葉輪緊固螺栓斷裂失效分析

范　巍　蘭春虎

（1國網天津市電力公司電力科學研究院天津3003842國網天津市電力公司經濟技術研究院天津300171）

電廠脫硫增壓風機葉輪緊固螺栓斷裂失效分析

范巍1蘭春虎2

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某電廠脫硫增壓風機（軸流式）葉輪在使用中發生緊固螺栓斷裂失效事故，為此運用斷口形貌、螺栓材質、工藝尺寸、力學性能、顯微結構等分析手段，對斷裂螺栓進行失效分析。結果表明，由于螺栓加工工藝不合格，無頭下圓角半徑，造成螺栓頭部與螺桿交接部位存在應力集中。個別螺栓的應力集中區域在高速運轉過程中形成裂紋源，并逐步發展為疲勞斷裂，后誘發其它螺栓的脆性斷裂，最終造成此次事故。

電廠；葉輪緊固螺栓；應力集中；疲勞源；脆性斷裂；頭下圓角半徑

1　概況

某電廠脫硫增壓風機型號：AN40e6，由成都電力機械廠制造，運行時間1800h，環境溫度160℃。葉輪直徑4000mm，重5t，水平布置，每年定期更換。緊固螺栓型號為M30mm×110mm、8.8級，材質為＃45鋼、經熱處理，生產廠家為天津園藝橡膠密封件廠。

螺栓樣品共六根，在風機葉輪上分布示意如圖1。為防止轉動松脫，螺栓緊固后用鋼筋焊接在一起。

圖1　螺栓分布示意圖

2　試驗分析

2.1斷口形貌

斷裂螺栓均從螺桿根部斷裂，對樣品斷口進行宏觀檢查。

其中2至5號螺栓樣品，斷口形貌相似，均為平斷口。斷面呈現出與裂紋擴展方向一致的放射狀線條，放射狀線條是高應力下裂紋高速傳播的證據，方向與外界主應力一致，裂紋源即為主應力區域，說明螺栓樣品在高應力下發生瞬時脆性斷裂。圖2為2號～5號螺栓脆性斷口宏觀形貌圖。

圖2　2號～5號螺栓脆性斷口宏觀形貌

圖3　1號螺栓樣品斷口宏觀形貌

圖4　6號螺栓樣品斷口宏觀形貌

圖5　6號螺栓斷口清晰的貝紋狀疲勞條紋

圖6　斷口示意圖

圖7　普通螺栓頭下圓角半徑示意圖

圖8　同批次螺栓對照圖

1號螺栓樣品斷口宏觀形貌如圖3。斷面起伏較大，棱角尖銳，形態與脆性斷口的撕裂棱相似。螺桿部位有擦傷的痕跡，說明該螺栓在高速運轉過程中發生脆性扭斷，而后繼續運行，造成螺桿部位的碰撞擦傷。

6號螺栓為第一個斷裂的螺栓，斷口宏觀形貌如圖4。斷口呈現出明顯的疲勞斷裂的特征，斷面有疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時破斷區。

將1號～6號螺栓斷口在低倍顯微鏡下逐一進行觀察，6號螺栓斷口可見清晰的貝紋狀的疲勞條紋，如圖5，有規則的間距，垂直于裂紋的擴展方向，每個條紋對應一次應力循環，圓弧的中心即為疲勞裂紋源，即主應力區域。明顯的貝紋狀疲勞裂紋擴展區，是疲勞斷口最重要特征區域。圖6為斷口示意圖。

2.2工藝尺寸檢驗

取同批次完好螺栓進行加工工藝尺寸檢驗。根據GB/T 3105-2002《普通螺栓和螺釘頭下圓角半徑》的規定，M30mm×110mm螺栓應加工出最小半徑1mm的頭下圓角半徑，示意如圖7。對照同批次螺栓實物，如圖8，經過檢查發現，同批次螺栓連同斷裂螺栓均無頭下圓角半徑，易在螺栓頭部與螺桿根部的交接面，即此次螺栓斷裂面，造成應力集中。應力集中區域一旦有夾雜、微裂紋等缺陷存在，極易在螺栓高速運轉過程中形成裂紋源，誘發螺栓斷裂。

2.3成分分析實驗

對6號螺栓進行成分分析，試驗結果見表1。

表1　化學成分分析結果單位：%

經成分分析，螺栓化學成分符合標準GB/T699-1999《優質碳素結構鋼》對＃45號鋼的規定。

2.4硬度實驗

螺栓取樣進行硬度試驗，結果見表2。

表2　洛氏硬度試驗結果

螺栓硬度符合GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》的標準規定。

2.5沖擊實驗

在斷裂的螺柱上取樣進行沖擊試驗，結果見表3。

表3　洛氏硬度試驗結果

圖9　500×金相組織

螺栓的沖擊吸收功符合GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》的標準規定。

2.6金相組織

在6號螺栓螺柱斷口表面取樣進行金相試驗，金相組織為：少量鐵素體+回火索氏體，組織正常，見圖9。

3　實驗結果分析與討論

3.1根據成分分析結果，第一個斷裂的#6螺栓的化學成分符合國家標準，螺栓的斷裂失效與材質無關。

3.2經沖擊試驗，螺栓的沖擊吸收功符合國家標準。

3.3經硬度試驗，螺栓硬度值符合國家標準。螺栓斷裂失效與力學性能無關。

3.4經加工工藝尺寸檢查，螺栓加工工藝不合格。螺栓無頭下圓角半徑，極易在頭部與螺桿交接部，即此次螺栓斷裂面，造成應力集中。應力集中區域一旦有夾雜、微裂紋等缺陷存在，極易在螺栓高速運轉過程中形成裂紋源，誘發螺栓斷裂。

3.5經金相檢驗，螺栓金相組織為鐵素體+回火索氏體，組織合格。

3.6經斷口檢查，1號螺栓斷口為扭斷斷口，該條螺栓在高速運轉過程中被扭斷撕裂。2-5號螺栓為脆性平斷口，在高應力下發生瞬時斷裂。6號螺栓斷口為疲勞斷口，斷面有疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時破斷區，其中明顯的貝紋狀疲勞裂紋擴展區，是疲勞斷口最重要特征區域。6號螺栓為第一個斷裂螺栓。

3.7低倍顯微鏡下的斷口形貌進一步證實了6號螺栓的疲勞斷裂。

3.8由以上分析可見，由于螺栓加工工藝不合格，造成螺栓頭部與螺桿交接部存在應力集中。6號螺栓由于存在疲勞斷裂源而最先斷裂，之后葉輪帶動其余緊固螺栓繼續高速運轉，1號螺栓迅速發生扭斷后，其余4條螺栓無法繼續承受超出自身承受范圍的高應力而發生瞬時斷裂，最終造成此次失效事故。1至5號螺栓由于在相同部位存在應力集中，加快了此次斷裂失效進度。

4　結語

此次脫硫增壓風機葉輪緊固螺栓失效事故為疲勞斷裂引發的脆性斷裂。經各項分析，排除材質、力學性能、顯微組織等原因，螺栓的早期失效，是由于加工工藝不合格，造成螺栓頭部與螺桿交接部存在應力集中，在高速運轉過程中，6號螺栓由于形成疲勞斷裂源而最先斷裂。之后葉輪帶動其余緊固螺栓繼續高速運轉，由于在相同部位存在應力集中，加快了脆性斷裂進度，致使1號螺栓迅速發生扭斷后，剩余4條螺栓無法繼續承受超出自身承受范圍的高應力而發生瞬時斷裂，最終造成此次失效事故。

范巍（1984—），女，碩士，國網天津市電力公司電力科學研究院。