汽輪機(jī)中壓調(diào)節(jié)閥閥座螺釘斷裂失效分析及改進(jìn)

趙健雄，王剛，張邦強(qiáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

汽輪機(jī)中壓調(diào)節(jié)閥閥座螺釘斷裂失效分析及改進(jìn)

趙健雄，王剛，張邦強(qiáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章為解決部分機(jī)組大修時(shí)發(fā)現(xiàn)的調(diào)節(jié)閥內(nèi)六角螺釘斷裂的問題，進(jìn)行了包括理化試驗(yàn)、金相檢查、結(jié)構(gòu)分析、裝配檢查等多方面的原因分析，并針對分析原因，對螺釘結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，對安裝要領(lǐng)進(jìn)行了完善，有效減少了類似情況的發(fā)生。

螺釘，斷裂，分析，改進(jìn)

0 引言

某電廠進(jìn)行汽輪機(jī)組大修時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)根中壓調(diào)節(jié)閥內(nèi)六角螺釘發(fā)生斷裂，該螺釘材料為20Cr1Mo1VNbTiB，使用溫度為566℃。為了找出螺釘斷裂的真正原因，杜絕類似事故的再次發(fā)生，進(jìn)行了一系列的分析和試驗(yàn)工作，并針對問題原因制定了糾正和預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

收集的3個螺釘樣品的外觀形貌如圖1～2所示。從圖中可以看出斷裂部位是螺釘頭與螺桿的過渡段，根據(jù)樣品規(guī)格，最終決定從樣品上取樣進(jìn)行檢測分析，檢查項(xiàng)目如表1所示。

表1 樣品取樣項(xiàng)目

圖1 斷裂螺桿與螺釘頭外觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 試驗(yàn)分析情況

1.2.1 化學(xué)成分分析

為了驗(yàn)證螺釘材質(zhì)，首先通過直讀光譜儀對斷裂螺釘進(jìn)行了化學(xué)成分測試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

經(jīng)過比對，檢查所得的螺釘材料化學(xué)成分符合20Cr1Mo1VNbTiB的各項(xiàng)要求，螺釘所使用的材料材質(zhì)沒有問題。

1.2.2 金相檢驗(yàn)

接下來對斷裂螺釘縱向切面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，通過顯微鏡觀察，切面所呈現(xiàn)的組織類型為回火貝氏體，螺桿和螺釘頭晶粒度為3級，具體照片如圖3所示。

圖3 螺釘頭、螺桿晶粒度

1.2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證力學(xué)性能，使用2#斷裂螺桿加工了一個拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并在2#螺桿和3#螺桿各取1個硬度試樣進(jìn)行了硬度測量。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。同時(shí)在螺桿部位取試樣進(jìn)行了布氏硬度測試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 2#樣品材料拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 硬度試驗(yàn)結(jié)果

從力學(xué)性能測試結(jié)果上看，2#斷裂螺桿的強(qiáng)度和硬度均較高，沒有出現(xiàn)預(yù)計(jì)中的樣品材料強(qiáng)度偏低的現(xiàn)象。

綜合上述理化分析實(shí)驗(yàn)，該批螺釘?shù)睦砘阅芊蠘?biāo)準(zhǔn)要求，不是螺栓斷裂的主要原因。1.2.4斷裂螺釘結(jié)構(gòu)尺寸測量

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果

理化分析之后，接下來通過對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行檢測判定其是否滿足要求。將該失效螺釘解剖之后，在螺釘頭縱剖面上測量了螺釘頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 螺釘頭縱剖面放大圖

圖5 螺釘頭與螺桿結(jié)合處示意圖

圖6 螺釘頭關(guān)鍵尺寸測量（六角沉孔錐形底部傾斜角為22.6°，退刀槽底部距螺釘頭底部9.3 mm）

根據(jù)圖6測量數(shù)據(jù)計(jì)算，沉孔錐形底部距螺釘頭底的垂直距離僅為5.1 mm，并且螺釘頭與螺桿結(jié)合處圓角半徑較小，僅為0.8 mm左右，數(shù)值偏小，對螺釘強(qiáng)度影響較大。

1.2.5 模擬試驗(yàn)

為了更全面地分析螺釘斷裂原因，根據(jù)螺釘尺寸加工了2根試驗(yàn)件，借用圖號為D600B-261000A013。為了適應(yīng)拉伸試驗(yàn)要求，對此圖進(jìn)行適當(dāng)修改，將螺釘頭與螺桿處R加工為R6.5。修改后圖樣及試驗(yàn)件如圖7所示。

圖7 試樣模擬圖樣及試驗(yàn)件外觀

拉伸試驗(yàn)過程中，在拉力逐漸增大過程中，試驗(yàn)件桿部出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，拉力試驗(yàn)中止，最大拉力為315 kN，依據(jù)頸縮前實(shí)測直徑，材料抗拉強(qiáng)度為1 002 MPa。頸縮試樣如圖8所示。

圖8 頸縮后的試樣

對該試驗(yàn)件的R圓角處進(jìn)行了重新加工，將R值減至1 mm，重新將試樣裝卡進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最大拉力增至284 kN時(shí)，試樣發(fā)生斷裂，斷裂試樣如圖9所示，斷裂方式為純剪切撕裂。

圖9 斷裂后試樣

從上述試驗(yàn)事實(shí)可以看出，圓角R對螺栓構(gòu)件的整體強(qiáng)度影響較大，當(dāng)R由5 mm減至1 mm后，應(yīng)力集中效應(yīng)較為明顯。在R值為5 mm時(shí)，螺栓最薄弱處為直徑較細(xì)的螺桿處，而當(dāng)R值減小為1 mm時(shí)，螺栓最薄弱環(huán)節(jié)位于螺釘頭與螺釘桿接合處R部位。

2 車間調(diào)查

根據(jù)以上試驗(yàn)，為了解螺釘實(shí)際生產(chǎn)中的尺寸和裝配情況，進(jìn)行了車間調(diào)查，調(diào)查主要關(guān)注以下4個方面：（1）螺釘頭與螺桿接合部圓角R尺寸；（2）螺釘頭內(nèi)六角深度尺寸；（3）螺釘安裝時(shí)力矩扳手使用情況；（4）螺釘安裝后斂縫情況調(diào)查。

2.1 螺釘頭與螺桿接合部圓角R尺寸

在總裝車間隨機(jī)抽查2種圖號的螺栓，對其R部位用R1.5的R規(guī)進(jìn)行檢查（公司目前無R= 1.6的R規(guī)），以小于R1.5為不合格。檢查結(jié)果見表5，檢查中合格率最低的一種螺栓只有19%。

表5 抽查結(jié)果

2.2 螺釘頭內(nèi)六角深度尺寸

在送入總裝車間的圖號為D600B-261000A013的螺栓中隨機(jī)抽查12件，用深度卡尺測量其六角沉孔深度尺寸，結(jié)果見表6。

表6 D600B某螺栓隨機(jī)抽查結(jié)果mm

從表6可以看出，內(nèi)六角沉孔深度全部偏大，導(dǎo)致沉孔錐形底部距螺釘頭底的垂直距離偏小，螺栓的強(qiáng)度降低。

2.3 螺釘安裝時(shí)力矩扳手使用情況

在閥門總裝場地現(xiàn)場查看了作業(yè)記錄并對操作者進(jìn)行詢問，了解到裝配時(shí)沒有使用力矩扳手把緊螺栓，同時(shí)在產(chǎn)品圖紙上也只對部分螺栓裝配提出了力矩要求。

2.4 螺釘安裝后斂縫情況調(diào)查

在閥門總裝場地對現(xiàn)場正在裝配的閥門進(jìn)行檢查以驗(yàn)證螺孔位置度問題。現(xiàn)場裝配的閥芯部件斂縫按照操作指導(dǎo)書進(jìn)行，能夠符合圖紙要求；但是螺孔位置度及沉孔與螺孔同心度差，如圖10所示。

圖10 沉孔、螺孔同心度示意圖

B寬度-A寬度=2-0=2 mm，由于位置度偏差達(dá)到2 mm，使斂縫工作變得很困難，最終導(dǎo)致斂縫質(zhì)量達(dá)不到圖紙要求。

3 分析與結(jié)論

閥門內(nèi)六角螺釘（20Cr1Mo1VNbTiB）斷裂均發(fā)生在螺釘頭與螺桿結(jié)合處，斷口均為脆性瞬時(shí)斷裂，形貌基本一致。

通過對失效螺釘材料的理化試驗(yàn)分析，可以判定材料化學(xué)成分合格無誤，強(qiáng)度未出現(xiàn)偏低現(xiàn)象，非螺釘斷裂根本原因；雖然金相檢查顯示存在3級晶粒度，但未出現(xiàn)宏觀粗晶現(xiàn)象，而理化檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)中，只有在20Cr1Mo1VNbTiB出現(xiàn)大面積宏觀粗晶時(shí)會引起材料韌性下降，僅僅3級晶粒度不會引起明顯的脆性增加，所以晶粒度稍粗也不是導(dǎo)致螺釘斷裂的根本原因。

從螺釘頭結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸的測量結(jié)果可以看出，該失效螺釘頭部與螺桿接合處R角半徑較小，不足1 mm，易引起應(yīng)力集中，同時(shí)沉孔較深，沉孔錐形底部與螺釘頭底部邊緣垂直距離僅為5.1 mm，僅為螺桿直徑的1/4。由于沉孔太深，使螺釘頭部有效承力面積很小。從螺釘結(jié)構(gòu)分析，該處主要承受剪切應(yīng)力，而材料剪切極限一般為抗拉強(qiáng)度的0.6～0.8。因此，螺釘頭與螺桿結(jié)合處成為該螺釘整體強(qiáng)度最為薄弱的位置，此缺陷為螺釘斷裂的主要原因。該批斷裂螺釘斷裂位置以及斷裂面貫穿沉孔底部的現(xiàn)象也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

此外，如果在裝配過程中預(yù)緊力過大，也會增加螺釘頭部與螺桿過渡區(qū)的內(nèi)應(yīng)力，降低螺釘使用性能。

4 改進(jìn)及效果檢查

為了防止問題再次發(fā)生，根據(jù)分析結(jié)論，進(jìn)行了以下改進(jìn)工作：（1）將螺釘頭與螺桿結(jié)合部位圓角R由原設(shè)計(jì)R1.6增大為R2.5，并明確該處制造后需要進(jìn)行重點(diǎn)檢查；（2）螺釘頭內(nèi)六角底孔在圖紙中增加“內(nèi)六角沉孔加工為平底，鉆尖直徑的技術(shù)要求，控制內(nèi)六角孔的深度；（3）工藝部門增加鉆模工裝，保證閥門螺孔加工同心度；（4）為裝配班組配備力矩扳手和制作力矩工裝，并對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)。

通過以上改進(jìn)，同類型的機(jī)組投運(yùn)已經(jīng)5年，現(xiàn)在未再次發(fā)生閥門螺釘斷裂脫落質(zhì)量問題。

[1]董宇.汽輪機(jī)高壓主汽門螺栓斷裂失效分析[J].華電技術(shù), 2011,33(7):26-27

[2]DL/T 439—2006火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則[S].北京:中國電力出版社,2006

圖10 實(shí)際輪廓與名義型線比較結(jié)果

4 結(jié)語

通過對菌型葉根銑刀的非接觸式自動檢測方法的研究，為菌型葉根銑刀和轉(zhuǎn)子輪槽銑刀的尺寸測量提供了一種行之有效的測量方法，也為提高刀具的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量提供了有效的保障。

參考文獻(xiàn)

[1]沈維.非接觸顯微圖像測量儀[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2002,（12）:36

[2]馮之敬.機(jī)械制造工程原理[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2008

Analysis and Improvement of Bolts Broken Used for Steam Turbine IP Control Valve Seat

Zhao Jianxiong，Wang Gang，Zhang Bangqiang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to resolve the problem of bolts broken used in the IP control valve occurred during the overhaul of some units, some tests including the mechanical&chemical examination,metallographic examination,structure analyzing and installation checking etc.were done to analyze causes based on the result,the paper talked about the improving measure on bolts structure and key points of installation,which obviously decreased rates of defects occurring.

bolts,break,analysis,improvement

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.012

TK246

B

1674-9987（2015）04-0056-05

趙健雄（1981-），男，工程師，2004年畢業(yè)于西華大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事質(zhì)量管理和檢驗(yàn)技術(shù)工作。