1、水电厂高强度螺栓失效分析与探讨杨兴乾 赵少勇摘要：高强度螺栓在水电厂运用十分重要,2009 年 8月俄罗斯萨扬舒申斯克水电站水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂造成的后果给了我们深刻教训。2013 年 3月思林发电厂#1 机组 A修时,我厂接力器基础螺栓进行超声波探伤检测时发现两颗存在缺陷的螺栓，以此为实例，我厂金属监督对螺栓失效进行了深入的分析和探讨，归纳其常见的失效形式，即材质缺陷、过载失效、应力腐蚀、及疲劳性能失效，同时提出相应的监督措施。关键词：水电厂；螺栓；失效；强度一、前言螺栓是水电厂机组的重要部件，在制造过程中由于螺栓本身的材质及控制工艺过程不当，螺栓在长期的承受应力作用下会发生缓慢的、连
2、续的塑性变形，从而使螺栓容易出现裂纹，高强度螺栓指的是强度达 8.8 级及以上的螺栓，一般用于水电厂和其他重要的螺栓。同时各种结构的螺栓种类繁多，规格也各不相同，但均使用了不少的高强度螺栓。对于我厂而言，高强度螺栓作为机组转动部件的连接部件和密封部件是最为常用的。2009 年 8 月俄罗斯萨扬舒申斯克水电站机组长期振动超标引发水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂，导致发生了水电史上空前的特大事故，引起水电界金属同行的高度关注。在此基础上结合我厂的实际情况及此次出现的接力器基础螺栓探伤检测的缺陷，本文以我厂高强螺栓存在缺陷的失效案例，对其常见的缺陷进行归类分析，以此来为同行进行交流和学习。2、我厂接力器基
3、础螺栓缺陷介绍我厂#1 机组 A 修期间，在对接力器基础的高强度螺栓进行超声波探伤检测时出现了两颗存在缺陷的螺栓，该螺栓规格型号为：M42x283mm，此螺栓在我厂投产至今已服役五年，在机组的不同检修类别中都要对相应的金属监督部件进行探伤检测，此次发现接力器基础螺栓存在的缺陷引起了我厂金属监督的深刻反思和探讨，同时也为我厂的安全经济稳定运行打了预防针。针对我厂各部件重要螺栓的制造、安装、运行过程中存在的问题，提出关于螺栓的质量监督，确保设备的安全稳定运行。以此来增强我们防范于未然的决心。接力器基础螺栓探伤检测报告详见下表：单位 贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂机组编号 #1 机组工件名称
4、 接力器基础螺栓 规格型号 M42x283mm设计数量 检测数量 38仪器型号 PXUT-350 仪器编号 TG/SB-UT-002表面状况 光滑探头编号 探头型号 参考试块 探伤灵敏度探头参数探头 1 5P 14 工件底面 底面反射波调到基准波高+33dB检测标准 JB/T4730.3-2005承压设备无损检测 耦合剂 机油螺栓编号 缺陷位置深度（mm）缺陷指示长度（mm）缺陷反射波幅 结论 备注1 157 / / 缺陷 /2 195 / / 缺陷 /3-38 / / / 合格 /检测结果：超标缺陷建议更换检测 谢东 记录 王星 电厂配合接力器基础螺栓探伤检测报告3、失效形式分析1.材质缺陷
5、在机组安装初期，只按照标准选取符合工作要求的类型、尺寸和性能等级的螺栓而没有考虑其材质、加工工艺和热处理等，但螺栓的材质、加工工艺和热处理状态正是影响其力学性能、质量的重要因素。因此在质量管理中出现的材质缺陷是螺栓出现失效的重要因素之一。在安装过程中，由于预紧力过大等原因，螺栓材料易发生断裂，在机组的长期运行过程中，由于高应力的作用，螺栓材料容易产生疲劳断裂，为确保安全运行，加强对重要部位螺栓的安全管理、全面检验甚为重要。实例介绍：2011 年某大型水电站新购一批 8.8 级的高强螺栓作为库存备件，其型号直径为 M30，材质为 45 号钢。在例行的高强螺栓抽检试验中发现，该螺栓存在材质缺陷。一
6、方面该批螺栓的力学性能不满足 GB/T3098.1-2000紧固件机械性能螺栓螺钉和螺柱标准要求，其洛氏硬度均大于 35HRC，超出了标准规定的 22-32HRC 的范围。同时，螺栓的冲击（ U 型缺口试样）功低于16J，而标准要求 8.8 级别螺栓的冲击功不低于 30J。另一方面，该批螺栓的金相显微组织观察发现螺牙存在细微的裂纹，如图1 所示。有文献曾报道过，新螺栓的螺牙裂纹与滚齿成型控制有关，由于滚轮使用次数过多或是超期服役，使得滚齿加工能力下降，极可能造成螺牙裂纹的出现。2.过载失效螺栓的过载失效是指在服役过程中发生突然瞬间的断裂，这种失效预先并无明显征兆，所以其危害严重。过载失效特征：
7、高强度螺栓在水电厂的使用极为广泛，螺栓上的螺纹实际上就同缺口一样，应力集中系数较高。当其与螺母配合时，应力集中系数进一步提高。通过压缩螺母传递载荷的螺栓，应力最集中是在靠近螺母支承面的第一扣螺纹处。此外，由于螺栓的结构特点，头部和杆部交接处的应力也较集中。因此，螺栓的过载失效而导致其断裂多在这两个部位产生。3.高强度螺栓的应力腐蚀（1）应力腐蚀发生的条件必须有拉伸应力存在。拉伸应力越大，则断裂所需要的时间越短。断裂所需要的应力一般低于材料的屈服强度。螺栓在服役中所承受的拉伸力以及在装配中的预紧力，都是导致发生应力腐蚀的条件。（2）必须有对材质敏感的腐蚀介质存在当应力与腐蚀介质形成一个系统时，材
8、料才能发生应力腐蚀开裂的缺陷。4 疲劳性能失效影响高强度螺栓疲劳性能的因素：a、螺帽结构的影响；b、螺纹牙沟形状和半径尺寸的影响；c、螺栓表面粗糙度的影响；d、滚制螺纹工序的影响；实例介绍：2010 年某水电厂 7 号、8 号机组的发电机上挡风板连接螺栓出现一定程度的松动，其中 7 号发电机 11 号上挡风板 3 个连接螺栓断裂脱落，螺母与断裂的螺杆未找到，尾部还处于螺孔中，见图 2。该水电厂对 7、8 号发电机转子、定子等部件进行了全面细致的检查，未发现因螺栓断裂脱落造成的损坏情况。图 2 上挡风板螺栓断裂情形断裂螺栓的直径为 M16，材质为 45 号钢。宏观检查断裂螺栓的断口情况，发现其呈
9、明显的疲劳断裂特征，疲劳源在螺栓断口边缘，见图 3 所示。由于发电机通风系统在机组运行过程中会不可避免地引起上挡风板的振动，从而造成连接螺栓出现松动，长期在此环境中服役容易导致疲劳断裂。电厂对此 3 个螺栓进行了更换，并选用 40Cr 不锈钢螺栓，以提高疲劳阈值，增强抗断裂能力；同时对螺母与上挡风板之间进行点焊，避免断裂时螺栓脱落而损坏发电机部件。图 3 失效螺栓的断口形貌四、结论与监督建议1.以上是我们在工作与使用过程中所遇到的不同类型的螺栓的主要失效模式及问题发生原因，可见，所有的螺栓发生失效缺陷并不是偶然的，其原因除了其材料存在问题外，其结构问题也是主要原因之一。水电厂高强螺栓的缺陷主要
10、有 4 类。材质缺陷、过载失效、应力腐蚀和疲劳性能失效。2.在机组检修期间对重要部件的连接螺栓进行 100%的超声波探伤，并出具检测报告，根据检测结果确认是否对螺栓进行更换，确保连接螺栓 100%合格。3.加强螺栓的采购质量，为提高螺栓的入厂合格率，金属监督人员应了解其生产过程和质量保证体系，严把质量关，保证设备的安全稳定运行。4.依照螺栓使用部位、材质、规格、投运时间、检测状况建立重要螺栓台帐，做到全面监控，不留死角。另一方面要逢停必检，全面排查隐患，对螺栓做好失效分析，并根据不同等级螺栓的使用寿命，到期全部更换。5.严把质量关，对于我厂新采购的各种高强度螺栓认真履行物资入库验收手续卡，力争
11、把可能存在的事故隐患消除在萌芽状态，验收卡详见下附页。同时，电厂要针对基础薄弱的金属专业开展人员培训，提高金属材料监督和无损检测的能力。参考文献1GB/T3098.1-2000 紧固件机械性能螺栓螺钉和螺柱S.2胡世炎，机械失效分析手册M.成都：四川科学技术出版社，1989.3韩志良，马红卫，丁燕君.高强度螺栓断裂失效分析J.理化检验一物理分册，2003，39（9）：477-480.4肖纪美.应力作用下的金属腐蚀M.北京.化学工业出版社.1990；347-348.附：思林发电厂受监金属材料及受监金属备品配件入库验收卡片卡片编号：使用单位 金属材料或部件名称使用部位 生产厂家供货状态 材质（ 钢
12、号） 入库时间合格证号 规格 领用时间供货数量 入库交货人 领用人钢材的化学元素成分（重量百分比% ）及常温力学性能指标指标 C S Mn P Si Cr Mo V W Ni Ti sMPa bMPa 5% akJ/cm2 % HB标准值实际值入库前生产厂家相关资料审查序号 资料名称 份数 审查结果 质保单位 资料审查人 签名1 产品合格证2 材质证明单3 无损检测报告、理化检测报告（ 性能、金相）4 耐压试验报告、热处理报告（热处理规范）5 进口材料须有国家商检报告6 重要备品配件设计图入库前的质量验收工作项目序号 验收工作内容 检验结果 验收部门 检验人员 签名 检验日期1 光谱分析2 无损探伤（射线、超声波、磁粉、渗透）3 理化检测：厚度测量、金相显微组织检验、化学成分、力学性能、几何尺寸是否符合设计要求4 表面宏观检查设备技术数据：部门技术员物资公司生技部备品专工验收结果1. 经入库前资料审查与金属监督检验， 该（ 批） 钢材及备品配件检验合格，准予入库与领用。（ ） 2. 经入库前资料审查与金属监督检验， 该（ 批） 钢材及备品配件检验不合格，应预予退货处理。（ ） 金属监督（盖章）
