備用柴油發(fā)電機(jī)組連桿螺栓斷裂故障分析

官永慶 左超上 劉永斌 方文治 鄭淇元

摘要：某電廠備用柴油發(fā)電機(jī)組在定期試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了缸體破裂和連桿損壞事件，對(duì)柴油機(jī)缸套及部分部件造成了損壞。事件發(fā)生后，業(yè)主、采購(gòu)方、制造方一起對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組事故現(xiàn)象和損壞部件進(jìn)行了排查和失效分析。從失效部件的觀測(cè)中得出連桿螺栓是首先斷裂部件，分析得出螺母松退是連桿螺栓斷裂等一系列故障的根本原因，而螺母結(jié)合面的微動(dòng)磨損是螺母松退的先兆和反映。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)組;連桿螺栓;微動(dòng)磨損;螺栓斷裂

中圖分類號(hào)：TK423.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0161-03

0? 引言

某電廠備用柴油發(fā)電機(jī)組執(zhí)行季度例行滿負(fù)荷帶載試驗(yàn)，在升至滿功率運(yùn)行過(guò)程中，A8缸活塞連桿飛出，擊破A8缸曲軸箱蓋板，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)活塞裙破損，B8缸連桿及兩側(cè)平衡重部件有不同程度損傷。拆卸缸體后發(fā)現(xiàn)A8缸兩根連桿螺栓斷裂。通過(guò)分析檢測(cè)結(jié)果和對(duì)損壞樣品的觀測(cè)，確定A8-1 和 A8-2 連桿螺栓為首先失效部件。本次故障采用了故障樹(shù)分析（FTA）的方法，在微動(dòng)磨損存在的情況下，確定了連桿螺母的松退是連桿螺栓斷裂和一系列故障發(fā)生的原因。

1? 事件發(fā)生經(jīng)過(guò)及故障處置

2019年某日10點(diǎn)02分，某排柴油機(jī)進(jìn)行季度并網(wǎng)帶載試驗(yàn)。

10：26，備用柴油發(fā)電機(jī)A根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程加載至5800kW。

10：33，主控系統(tǒng)出現(xiàn)“DG A PACKAGE STATUS”報(bào)警，控制人員立即電話詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)操人員反饋屏幕出現(xiàn)“排氣溫度偏差”、“油封油壓壓力低”、“模擬量輸入模塊故障”報(bào)警。隨后，現(xiàn)操人員發(fā)現(xiàn)并匯報(bào)備用柴油發(fā)電機(jī)本體大量噴油。

故障發(fā)生后業(yè)主和采購(gòu)單位組成了該柴油機(jī)故障事件調(diào)查和原因分析小組（以下簡(jiǎn)稱“調(diào)查/分析小組”、“小組”），通過(guò)對(duì)斷裂件和破損件的收集，小組將其交由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。在取得斷裂件及破損件（以下簡(jiǎn)稱“樣品”）檢測(cè)結(jié)果后，調(diào)查小組和制造廠迅速召集相關(guān)專家進(jìn)行原因分析工作，目的是通過(guò)根本原因分析確保該型號(hào)機(jī)組在復(fù)裝再試驗(yàn)以及后續(xù)使用時(shí)不會(huì)再發(fā)生同樣問(wèn)題。

2? 首斷件判斷及檢查措施

為了確定出本次柴油機(jī)本體破裂事件的首斷件，同時(shí)收集可供技術(shù)判定的證據(jù)，相關(guān)單位及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)共同確定了樣品的取樣分析方案，對(duì)連桿螺栓、活塞裙、活塞頂螺栓和螺母、連桿螺母進(jìn)行、金相分析、斷口分析以及尺寸等宏觀檢查，對(duì)曲軸進(jìn)行了滲透檢測(cè)和硬度試驗(yàn)，對(duì)事故產(chǎn)生金屬碎屑、連桿大端和小端軸瓦進(jìn)行了能譜分析，對(duì)潤(rùn)滑油品進(jìn)行了水分檢測(cè)、元素含量分析、運(yùn)動(dòng)粘度、灰分檢測(cè)的檢測(cè)。

對(duì)具有斷口部件的宏觀檢查和金相分析結(jié)果顯示，斷裂特征如下，A8缸兩個(gè)連桿螺栓（A8-1和A8-2）的斷裂性質(zhì)為起源于連桿大端蓋兩側(cè)表面的雙向彎曲疲勞斷裂，宏觀下可見(jiàn)疲勞弧線，終斷區(qū)面積較?。ㄒ?jiàn)圖1），宏觀下存在塑性變形，斷面起伏較大，微觀形貌為韌窩;活塞裙：樣品已碎裂成多塊，部分?jǐn)嗝婢鶠榉派錉罨?，斷面較粗糙呈脆性斷裂;活塞頂螺栓：4個(gè)螺栓均斷裂成2段，斷裂部位均存在明顯徑縮，樣品斷面大部分已磨損，局部未磨損斷面微觀形貌為韌窩，判斷活塞頂螺栓的斷裂性質(zhì)為過(guò)載斷裂[1]。連桿大端軸瓦變形嚴(yán)重，內(nèi)表面已無(wú)耐磨層及磨合層，但未發(fā)現(xiàn)自身缺陷。在對(duì)螺母的觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，A8-1和A8-2的連桿螺母存在不同程度的松退情況，連桿螺母與大端蓋的結(jié)合面都有變黑磨損痕跡，屬于微動(dòng)磨損。

梳理發(fā)現(xiàn)，僅雙向彎曲疲勞斷裂的A8-1和A8-2連桿螺栓與時(shí)間過(guò)程相關(guān)，其余所取樣品的斷口均為一次性快速斷裂，且 A8-1 和 A8-2 連桿螺母存在不同程度的松退情況。據(jù)此初步判斷連桿螺栓為首先斷裂部件，其斷裂之后導(dǎo)致了其他部件的損壞。

對(duì)于曲軸、缸套、連桿大/小端軸瓦等有缺陷的物項(xiàng)，調(diào)查團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)或檢測(cè)，為進(jìn)一步的事件原因分析提供技術(shù)上的證據(jù)，具體分析可見(jiàn)事件原因分析和技術(shù)分析。

3? 事件原因分析和技術(shù)判斷

3.1 故障樹(shù)分析

專家組和原因分析小組一致同意并使用故障樹(shù)（FTA）分析故障發(fā)生的原因。故障樹(shù)分析（FTA）是一種從事先定義的事件開(kāi)始，利用已有證據(jù)，層層分析并確定事件根本原因的分析方法，常用于分析復(fù)雜事件和判斷系統(tǒng)故障。本次事件故障樹(shù)如圖2所示。

3.1.1 運(yùn)行工況原因的可能性

由于柴油機(jī)是并網(wǎng)帶載運(yùn)行，故障發(fā)生前報(bào)警序列沒(méi)有超速相關(guān)報(bào)警，且在試驗(yàn)過(guò)程中也未有保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)，因此在系統(tǒng)保護(hù)正常的情況下，可以判斷系統(tǒng)沒(méi)有超速及功率超負(fù)荷的可能。從事件發(fā)生前的報(bào)警序列顯示屏中也沒(méi)有證據(jù)表明啟動(dòng)過(guò)程中失去預(yù)熱和預(yù)潤(rùn)滑。

3.1.2 連桿大、小端軸瓦原因可能性

通過(guò)查看了連桿大、小端軸瓦的外觀及磨損狀況，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)燒損和發(fā)黑變色情況存在，即未發(fā)現(xiàn)大端/小端軸瓦有燒瓦現(xiàn)象，第三方的失效分析的試驗(yàn)結(jié)果也證明軸瓦不存在材料缺陷、組織缺陷的問(wèn)題。

而對(duì)于功率過(guò)載超出軸瓦設(shè)計(jì)極限的問(wèn)題，由于柴油機(jī)是并網(wǎng)帶載運(yùn)行，并且判斷功率過(guò)負(fù)載、運(yùn)行超速的情況是不存在的，所以可以排除此種情況的出現(xiàn)。至于軸瓦局部嚴(yán)重磨損和損壞可能是由于異物進(jìn)入導(dǎo)致的情況，可見(jiàn)異物原因分析章節(jié)。

3.1.3 活塞原因的可能性

據(jù)第三方的檢測(cè)結(jié)果，活塞頂螺栓的斷裂性質(zhì)為過(guò)載斷裂，活塞頂螺栓材質(zhì)的強(qiáng)度檢測(cè)表明其材質(zhì)性能符合要求，可排除活塞頂螺栓強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)造成的可能性。而且，故障后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)活塞并未抱死，證明缸套內(nèi)部面潤(rùn)滑情況正常。進(jìn)一步分析，缸套內(nèi)壁的網(wǎng)紋都是清晰可見(jiàn)的，只在某個(gè)方向上有磨損痕跡，是本次螺栓斷裂事件造成的結(jié)果，也并非異常磨損使活塞卡澀造成故障的發(fā)生。而柴油機(jī)的制造、調(diào)試過(guò)程以及事件發(fā)生后的檢查結(jié)果表明，活塞可以正常移動(dòng)，也可排除活塞與缸套的配合間隙過(guò)小。

3.1.4 油品質(zhì)量的可能性

在不考慮異物造成油品質(zhì)量問(wèn)題的情況下，通過(guò)第三方檢測(cè)事故后潤(rùn)滑油、另一排在用油和新潤(rùn)滑油的性能，發(fā)現(xiàn)A列油品除了水分，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他的不符合問(wèn)題存在，水分檢測(cè)結(jié)果高是因?yàn)槭鹿蔬^(guò)程中滑油受到缸套破裂后水套水的污染。檢測(cè)同機(jī)的另一排路滑油的樣品，其水分的數(shù)值是符合企業(yè)技術(shù)要求的。

3.1.5 異物原因可能性

故障發(fā)生后，調(diào)查小組現(xiàn)場(chǎng)收集帶走了兩處位于“滑油自凈式濾器濾網(wǎng)”、“滑油離心式濾器濾芯”上的金屬碎屑。后期，第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用能譜儀對(duì)異物進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果表明兩處濾芯、濾網(wǎng)處的樣品與活塞裙、軸瓦的成分相近，未發(fā)現(xiàn)來(lái)自機(jī)體以外的異物存在，判斷以上碎片都是次生造成的。

3.1.6 連桿、連桿螺栓和連桿螺母原因可能性

①連桿、螺栓存在問(wèn)題的可能性。

通過(guò)連桿螺栓樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原始設(shè)計(jì)要求相符合的結(jié)論，排除了連桿螺栓性能不達(dá)標(biāo)的原因。依據(jù)制造單位提供的原材料采購(gòu)技術(shù)要求中冶煉氫含量應(yīng)小于等于4ppm的要求，以及電鏡掃描照片中未發(fā)現(xiàn)氫致裂紋的情況綜合判斷，小組排除了氫致裂紋原因的存在。對(duì)連桿螺栓完工資料中磁粉檢測(cè)（MT）和熱處理處置記錄的檢查，小組也排除了表面有缺陷、熱處理不合格的情況。

連桿的塑性變形的因素情況則是采用了對(duì)螺母螺牙的外觀檢測(cè)來(lái)進(jìn)行推斷。第三方通過(guò)對(duì)實(shí)物和電鏡掃描照片的觀察后確認(rèn)，事件螺母內(nèi)側(cè)的螺牙未見(jiàn)變形，在螺母塑性變形可以忽略不計(jì)的情況下，排除連桿塑形變形的可能性。

②連桿螺母松退問(wèn)題的可能性。

關(guān)于連桿螺母是否存在緊固力矩不足的情況，則應(yīng)依據(jù)最后一次利用專用液壓工具擰緊連桿大端蓋的結(jié)果來(lái)推測(cè)判斷。在有制造廠單方面裝配檢驗(yàn)記錄簽字確認(rèn)的情況下，可以在一定程度上認(rèn)為連桿端蓋裝配后的連桿螺栓及螺母的緊固力矩是合格的。

除此之外，調(diào)查和原因分析小組重點(diǎn)關(guān)注了螺母材料的強(qiáng)度性能的因素。經(jīng)由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)量，斷裂2根螺栓的緊固螺母在各缸中的硬度是最低的，且接近合格范圍下限值，很有可能是螺母松退的重要原因。據(jù)了解，制造廠是在參考《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》（GB/T 1172-1999）之后，將螺母抗拉強(qiáng)度范圍轉(zhuǎn)換成硬度要求驗(yàn)收的。在此過(guò)程中，制造廠設(shè)計(jì)方面并沒(méi)有提出明確的硬度驗(yàn)收要求，而是將“對(duì)每個(gè)螺母進(jìn)行硬度測(cè)試”、“298～350HB”作為熱處理工藝要求。

對(duì)于技術(shù)轉(zhuǎn)讓方圖紙上連桿螺母的抗拉強(qiáng)度要求（“980～1180MPa”），沒(méi)有對(duì)原批次螺母的拉伸測(cè)試來(lái)證明它達(dá)到該要求，且制造廠未找到當(dāng)時(shí)經(jīng)同爐熱處理的樣棒試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

查閱新?lián)Q螺母的熱處理后檢驗(yàn)記錄，同爐熱處理樣棒的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果（1084MPa）是合格的，并且居中在抗拉強(qiáng)度要求（980～1180MPa）范圍且靠近平均值。但從樣棒實(shí)際抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)換得到的硬度值與螺母硬度平均值是有一定偏差的，如圖3所示，代表用硬度值代替抗拉強(qiáng)度值驗(yàn)收是值得商榷的。在《硬度值的轉(zhuǎn)化》（ISO 18265：2013）硬度轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)中明確表示，硬度轉(zhuǎn)化抗拉強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換時(shí)可靠性最差的轉(zhuǎn)換（“the least reliable form of conversion”）[1]。連桿螺母強(qiáng)度（硬度）偏低，很有可能是螺母松退的原因，分析小組認(rèn)為不能排除螺母強(qiáng)度（硬度）低的原因。

3.2 螺母松退的分析

微動(dòng)（Fretting）是指的是兩個(gè)接觸表面發(fā)生極小幅度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它通常存在于一個(gè)振動(dòng)工況（如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、氣體流動(dòng)、熱循環(huán)應(yīng)力、疲勞載荷、電磁震動(dòng)、傳動(dòng)等）下的“近似緊固”的機(jī)械配合件之中，一般位移幅度為微米量級(jí)[2]，而磨損往往留下很具體痕跡（微振斑、凹坑、堆疊等）。微動(dòng)磨損普遍存在于各種機(jī)械裝備、大型工程領(lǐng)域的緊密配合的部位，例如：軸承類零件、各種螺栓、鉚釘、銷的連接和搭接處[2]。

本次事件調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)A8缸兩個(gè)連桿螺母（A8-1、A8-2）在結(jié)合面一側(cè)可見(jiàn)明顯磨損痕跡，局部變色發(fā)黑，從金相檢驗(yàn)結(jié)果得知兩個(gè)螺母存在過(guò)熱相變及變形組織，電鏡下存在凹坑、折疊等磨損變形痕跡，與B8缸螺母（B8-2）對(duì)比明顯，是典型的微動(dòng)磨損痕跡，詳見(jiàn)第三方檢測(cè)的圖4所示。

產(chǎn)生微動(dòng)磨損的因素很多，涉及的影響因素復(fù)雜[3]，材料間的匹配特性、裝配的精度、材料強(qiáng)度都可能導(dǎo)致微動(dòng)磨損的存在。已知連桿螺栓、螺母在工作過(guò)程中每分鐘要承受上千次往復(fù)慣性力和連桿旋轉(zhuǎn)的離心交變應(yīng)力，且氣缸壓縮和爆發(fā)的頻率很高，沖擊力極大，在材料匹配特性、材料的強(qiáng)度不夠或裝配精度不高因素單獨(dú)或共同存在的情況下，運(yùn)動(dòng)部件存在的振動(dòng)工況使得A8-1和A8-2連桿螺母與連桿結(jié)合面間存在了微動(dòng)磨損，具體反映在了連桿大端蓋子與連桿產(chǎn)生某個(gè)方向上反復(fù)的橫向位移，是螺母松退的前期現(xiàn)象和反映，而松退將直接導(dǎo)致2個(gè)螺栓產(chǎn)生雙向彎曲疲勞，進(jìn)而斷裂并造成一系列次生事件的發(fā)生。

4? 結(jié)論與建議

柴油發(fā)電機(jī)組是電廠中起輔助供電功能的重要設(shè)備。在各類柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件失效故障里，連桿螺栓斷裂是柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的典型故障，屬于嚴(yán)重事故[5][6]。另一方面，由于螺母松退和微動(dòng)磨損的隱蔽性特點(diǎn)，在宏觀上不易被發(fā)現(xiàn)，而它帶來(lái)的失效問(wèn)題往往又十分嚴(yán)重。因此，為了防止類似事件產(chǎn)生，制造廠和采購(gòu)單位要重視緊固配對(duì)零件材料選擇的合適性、性能的匹配性、檢驗(yàn)工藝的可靠性。在制造過(guò)程要注意零件的接觸面精度，在裝配和后續(xù)安裝運(yùn)維階段，更注意裝配工藝和裝配后的檢測(cè)——嚴(yán)格確保裝配方法準(zhǔn)確、緊固力矩符合要求。通過(guò)對(duì)上述方法和因素的防范，將盡可能地降低微動(dòng)磨損對(duì)螺母造成松退的影響，防范相關(guān)事故的發(fā)生。

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