油動(dòng)機(jī)底座連接螺栓斷裂原因

劉嘉偉, 王天劍, 劉禹炯

(1.長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 德陽(yáng) 618000； 2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司, 德陽(yáng) 618000)

油動(dòng)機(jī)作為一種液壓裝置機(jī)構(gòu)，以其慣性小、驅(qū)動(dòng)力大、動(dòng)作快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)閥門的調(diào)節(jié)，繼而達(dá)到控制機(jī)組安全運(yùn)行的目的[1]。某電廠機(jī)組投運(yùn)時(shí)間5 a(年)左右，在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)中壓調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)底座的連接螺栓斷裂。調(diào)節(jié)閥安裝在汽輪機(jī)的每個(gè)中壓進(jìn)汽管道上，閥碟通過閥桿和連接件與油動(dòng)機(jī)的活塞連接，油動(dòng)機(jī)通過活塞上下運(yùn)動(dòng)控制閥門開合，油動(dòng)機(jī)底座的連接螺栓在閥門開合動(dòng)作時(shí)承受循環(huán)沖擊載荷。斷裂螺栓的材料為35CrMoA鋼，規(guī)格為M30，性能等級(jí)為8.8級(jí)，表面鍍鋅處理，螺栓斷裂位置如圖1所示。為查明連接螺栓的斷裂原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。

圖1 螺栓斷裂位置示意圖Fig.1 Diagram of fracture location of the bolts

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

在油動(dòng)機(jī)同側(cè)位置，油動(dòng)機(jī)底座連接螺栓斷裂兩根，取其中一根進(jìn)行分析。圖2為斷裂螺栓的宏觀形貌，可見斷裂發(fā)生在較短螺紋端部(插入底座一端)第一齒位置，該處為螺栓應(yīng)力集中較大的區(qū)域。圖3為斷裂螺栓斷口的宏觀形貌，可以明顯看到斷口分為3個(gè)區(qū)域，裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)。整個(gè)斷面除了瞬斷區(qū)外，其余區(qū)域較為平滑，斷面與螺栓中軸線基本垂直。裂紋源區(qū)范圍較大，肉眼可見存在多個(gè)裂紋源；裂紋擴(kuò)展區(qū)可以看到非常明顯的貝紋線，貝紋線較為細(xì)密。從斷裂螺栓的斷口宏觀分析可知，螺栓的斷裂類型為高周疲勞斷裂[2]。

圖2 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt

1.2 化學(xué)成分分析

從斷裂螺栓上截取試樣，采用ARL 34600135型直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)35CrMoA鋼的成分要求。

圖3 斷裂螺栓斷口的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證螺栓的力學(xué)性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從斷裂螺栓上取樣，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，可見斷裂螺栓的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但硬度偏下限值。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

表2 斷裂螺栓的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of the fractured bolt

1.4 金相檢驗(yàn)

在螺栓上截取試樣,經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，采用光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織形貌，如圖4所示。可見該螺栓心部的顯微組織存在一定的帶狀偏析，其顯微組織為回火索體+塊狀鐵素體，晶粒度為7級(jí)。

1.5 掃描電鏡分析

斷裂螺栓的斷口經(jīng)無水酒精超聲波清洗、干燥后，置于JSM-6490LV型掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察。斷裂螺栓斷口的SEM形貌如圖5所示，可見斷口邊緣有多條明顯裂紋，從邊緣向中心擴(kuò)展，呈現(xiàn)多源開裂的特點(diǎn)。裂紋擴(kuò)展區(qū)存在疲勞條帶，間距較小，呈現(xiàn)出受到高周應(yīng)力跡象。瞬斷區(qū)出現(xiàn)解理臺(tái)階，呈現(xiàn)出失穩(wěn)斷裂的脆性斷裂特征。

圖4 斷裂螺栓的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the fractured bolt

圖5 斷裂螺栓斷口的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 螺紋根部檢查

采用線切割將裂紋源區(qū)的其中一處切開，檢查裂紋源的起源位置，如圖6所示，可見裂紋源位于螺紋的倒角處。

圖6 裂紋源位置示意圖 Fig.6 Diagram of the crack source location

檢查螺紋倒角的加工情況，在螺紋倒角位置發(fā)現(xiàn)微裂紋，如圖7所示。

圖7 螺紋倒角宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of thread chamfer: a) inspection surface; b) microcrack

2 分析與討論

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。35CrMoA鋼正常調(diào)質(zhì)處理的顯微組織為細(xì)密均勻的回火索氏體，而斷裂螺栓的顯微組織存在較多塊狀鐵素體，這就使得基體硬度偏標(biāo)準(zhǔn)值的下限[3]。斷裂螺栓斷口的宏觀形貌和SEM形貌具備疲勞斷口的特征，由裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3部分組成，裂紋擴(kuò)展區(qū)具有典型的貝殼狀條紋，確定螺栓為疲勞斷裂[4]。裂紋源區(qū)截面顯示裂紋是從螺紋倒角處起源的，對(duì)螺紋倒角表面檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)倒角存在多處微小裂紋缺陷，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，且第一齒螺牙處是受力最大的位置[5]。螺栓顯微組織存在較多的塊狀鐵素體，說明螺栓在淬火過程中加熱溫度偏低，或者保溫時(shí)間不足，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變不充分，這種組織使得螺栓疲勞強(qiáng)度降低[6]。螺栓在閥門開合動(dòng)作時(shí)受到循環(huán)的沖擊載荷，因此螺栓在倒角應(yīng)力集中區(qū)域開裂，最終疲勞擴(kuò)展斷裂。