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EH系统油动机螺栓断裂分析
杨振国，吴连生，宗祥福(复旦大学材料科学系，上海
200433)
戚国水，张建龙(浙江嘉兴发电有限责任公司，嘉兴
314201)
摘 要：采用宏、微观检验方法对电液压系统油动机的断裂螺栓进行了分析。确认螺栓机加工不当引起疲劳裂纹的萌生及扩展，加之螺栓受力不均匀加速了疲劳断裂过程。提出了预防螺栓疲劳开裂失效的防范措施及改进建议。
关键词：EH系统；油动机；螺栓；疲劳断裂；失效分析
1 概况
某发电厂于2000年11月，300MW发电机组EH油压低，显示牌亮，机组跳闸，同时机头冒出大量白烟。经查系发电机组中汽轮机中压调门油动机活塞杆密封铜套压盖螺栓断裂，密封铜套冲出，EH系统油压泄去后导致主机跳闸。同年12月中压调门再次出现油动机活塞密封铜套压盖螺栓断裂，密封铜套冲出事故，导致发电机组停机。为查明两次压盖螺栓断裂原因及找出预防措施，对300MW发电机组中汽轮机中压调门油动机螺栓断裂进行了失效分析。
2 螺栓规格及材料
油动机压盖螺栓为M8内六角圆柱头螺栓，其尺寸见图1。螺栓公称应力截面积As=36.6mm2。
图1 内六角圆柱头螺栓及尺寸(mm)
压盖螺栓的材质为中碳钢，其主要化学成分见表1。热处理工艺为淬火、回火处理；机加工后压盖螺栓表面经过氧化发黑处理。压盖螺栓力学性能级别为8.8级，其材料的力学性能要求见表2。另外，根据M8螺栓的保证应力Sp为580N/mm2，可知螺栓螺纹的保证载荷为
3 检验与结果
3.1 断口宏观分析
油动机活塞杆密封铜套压盖上的八只螺栓两次均全部断裂，取其中两只螺栓断口试样(分别编为1#及2#)，经物理及化学方法清洗后，观察其断口形貌。
图2 1#螺栓断口宏观形貌特征
图3 2#螺栓断口宏观形貌特征
图2为1#螺栓断口宏观形貌特征，图3为2#螺栓断口宏观形貌特征。经仔细观察分析，1#和2#螺栓断口的宏观形貌特征具有如下相同特征：
(1)
裂源均位于螺栓的螺纹根部，裂源区具有明显的宏观台阶形貌特征，并呈现多源断裂；
(2)
两断口均由光滑或平坦区与瞬时断裂区所组成；
(3)
两断口光滑或平坦区内未观察到明显的疲劳断裂的宏观形貌——海滩状花纹；
(4)
裂纹宏观扩展方向是由螺栓断口一侧指向另一侧，即由宏观台阶较高处向低处的方向扩展。
两螺栓断口不同之处：
(1) 1#螺栓断口光滑区面积较大；2#螺栓断口光滑区面积较小。
(2) 1#螺栓断口瞬时断裂区面积较小，并呈现“月牙”形；2#螺栓断口瞬时断裂区面积较大，并呈现“半圆”形。
(3) 1#螺栓断口瞬时断裂区宏观形貌呈现凹凸不平形态，2#螺栓断口瞬时断裂区宏观形貌除一个大台阶之外，基本上呈现出平整形态。
3.2 金相检验
在1#螺栓上截取横向及纵向试样，光学显微镜下观察，螺栓基体材料中非金属夹杂物含量较少，符合螺栓用材国家标准要求；其显微组织为回火索氏体，见图4，未发现异常现象。
检查螺栓纵向剖面金相样品，发现螺纹及其螺纹根部均存在着较明显的裂纹，见图5。
图4 压盖螺栓显微组织形态 500×
图5 螺栓根部裂纹形貌
3.3 扫描电子显微镜分析
3.3.1 螺栓断口微观形貌
图6为1#螺栓断口扫描电子显微镜(SEM)低倍形貌，可见有明显的初始台阶特征，并可清晰地观察到裂源区存在多个裂源(如箭头所指处)。这些裂源均始于螺纹根部。图7为裂源区的高倍SEM照片，可见明显的疲劳辉纹，长箭头指向疲劳裂纹局部扩展方向。
图6 1#螺栓断口裂源区的SEM图象
图7 1#螺栓裂源区的SEM图象 1000×
箭头指处为裂源 50×
裂纹扩展区及瞬时断裂的SEM图象见图8和图9，其上具有明显的疲劳辉纹和韧窝花样，图8中长箭头指向疲劳裂纹局部扩展方向。
图8 1#螺栓疲劳裂纹扩展区SEM图象(疲劳辉纹)1000×
图9 1#螺栓瞬时断裂区SEM图象(韧窝花样) 1000×
3.3.2 2#螺栓断口微观形貌
2#螺栓断口微观形貌基本上与1#螺栓断口微观形貌相似，即裂源区具有明显的初始台阶特征；裂纹扩展区内呈现疲劳辉纹；瞬时断裂区呈现明显的韧窝花样。但仔细观察，2#螺栓疲劳辉纹比1#螺栓疲劳辉纹更明显，即辉纹间距较大，这表明2#螺栓疲劳裂纹宏观扩展速率较快；其次，2#螺栓瞬时断裂区上的韧窝花样为抛物线状特征，而1#螺栓瞬时断裂区的韧窝花样为等轴状特征。这表明2#螺栓最终断裂时受到较大的切向应力，而1#螺栓最终断裂时受到的是拉应力。
在螺栓断口宏观分析时，其疲劳断裂的宏观形貌特征——海滩标记不清晰，但SEM微观观察到螺栓断口具有疲劳辉纹的结果证实螺栓断口为疲劳断裂。
4 电子能谱分析
利用PhilipsXL230扫描电子显微镜上的电子能谱EDAXDX24谱仪对螺栓螺纹根部裂纹内的腐蚀产物或氧化物产物及螺栓基体材料主要化学元素含量进行电子能谱分析。
1#螺栓螺纹根部裂纹的SEM图象见图10所示，其上可明显地观察到螺栓根部存在着多条裂纹，裂纹内部充满了腐蚀或氧化产物，见箭头指处。
在裂纹处做EDS分析，结果证实裂纹内充满了氧化物，电子能谱图见图11所示，可见裂纹内的主要化学元素为铁和氧。
图10 1#螺栓螺纹根部裂纹的SEM图象 500×
图11 图10裂纹内的EDX谱图
5 螺栓断裂失效原因分析
综合上述宏、微观检验及分析可知，油动机活塞杆密封铜套压盖螺栓材质正常，热处理工艺亦正常。从螺栓的受力情况，按EH系统油压计显示160MPa，根据活塞环外径为85mm，轴外径为50mm，则活塞环上受力为59385N，活塞环上共有八只螺栓，平均分配到每只螺栓受力仅为7423N，而螺栓设计时能够承受的力由式(1)可知为21200N，这表明螺栓的设计强度是足够的，在正常条件下螺栓不可能发生断裂。
螺栓断口的宏、微观检验结果表明，油动机活塞杆密封铜套压盖螺栓断裂是典型的疲劳断裂，其断裂的主要原因是由于螺栓加工质量差及螺栓受力不均等缺陷造成的。
5.1 螺栓加工不当
螺栓在制造、加工过程中，因加工不当所形成的缺陷，如皱叠、折叠、微裂纹等，往往使螺栓螺纹在碾压或滚压成型或热处理过程中引起进一步开裂或扩大。特别应当指出，这些加工不当所造成的缺陷往往分布在螺栓螺纹的根部，尤其是在螺栓杆部与螺纹过渡部位形成裂源。螺栓螺纹根部的微裂纹在循环应力或截荷作用下，容易产生应力集中，疲劳源优先在这些缺陷处萌生并形成多源疲劳断裂。对于未使用过的新螺栓，有时用肉眼很难察觉出这些加工不当所形成的缺陷，只有当螺栓在承受安装应力及工作应力，尤其是循环应力之后，这些缺陷方能呈现出来。
从能谱分析结果可知，螺栓根部裂纹内有氧化物，表明该裂纹不是在使用中形成，而是在发黑处理前已存在。
5.2 螺栓受力不均匀
从螺栓疲劳断口形貌特征上可知，螺栓断口均为单向弯曲疲劳，疲劳裂源均是由应力集中处引起的，它们均位于螺纹根部缺陷处。
根据两螺栓断口形貌可知，1#螺栓先开裂，即1#螺栓疲劳裂纹优先萌生并随后逐渐扩展。另外，1#螺栓疲劳裂纹在扩展过程中所承受的应力较低，或者说，1#螺栓疲劳辉纹宏观扩展速率(da/dN)较小。1#螺栓最终断裂区是受正应力引起的，疲劳裂纹扩展区占整个断口面积的80%～90%，而最终断裂区仅占整个断口面积的10%～20%左右。2#螺栓疲劳裂纹情况与1#螺栓疲劳裂纹情况相反。2#螺栓疲劳裂纹是后开裂的，因在扩展时所承受的应力较高，疲劳裂纹宏观扩展速率较大，疲劳扩展区占整个断口面积的50%左右，瞬时断裂区也占50%左右。2#螺栓最终断裂时是受到了较大的剪切应力。
两螺栓受力不均匀有以下两方面的因素：①两螺栓在装配时其预紧力不均匀；②两螺栓螺纹根部缺陷严重程度不一致所引起的疲劳裂纹的萌生及扩展不一致。
6 结论
某300MW发电机组中汽轮机中压调门油动机活塞杆密封铜套压盖螺栓断裂属疲劳断裂；疲劳断裂的主要原因是由于螺栓机加工工艺不当引起的。另外，螺栓受力不均匀加速了螺栓疲劳断裂的过程。
7 建议
(1)
提高螺栓加工工艺质量，避免螺栓螺纹根部出现裂纹、皱叠、折叠等缺陷。
(2)
更换优质螺栓；
(3)
加强对螺栓螺纹机加工质量的检验，杜绝带缺陷的螺栓装入机组内。
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