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柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

嘉峪檢測網        2019-11-26 16:31

為了確保核電廠應急響應用電的安全,應急柴油發電機的必須始終安全運行。發電機各部件的連接主要通過螺紋類緊固件連接,螺釘作為重要的緊固件,一旦失效就會造成很大的危害。

 

事故背景

某核電機組應急柴油發電機固定螺釘發生斷裂,該螺釘表面經過鍍鋅處理,材料為碳鋼,規格為M12mm×50mm,性能等級8.8級,為高強度螺釘,該螺釘熱處理工藝為調質處理。柴油發電機引線隔板固定螺釘失效會加速引線斷裂、促使其他部件震動失穩從而失效。

 

理化檢驗

 

1、宏觀觀察

從該柴油發電機隔板上取出5根螺釘,分別編號為1~5號,其宏觀形貌如圖1所示。

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

圖1 螺釘試樣的宏觀形貌

 

可見,5根螺釘擰入通孔中的深度均約為10mm,不符合«機械設計手冊第2卷»表5-1-53中“公稱直徑為12mm的螺釘擰入通孔的深度為15mm”的推薦值;3根斷裂螺釘的斷裂位置均位于發電機與頂部鋼板結合處,即受力最大部位;螺釘存在多處螺紋牙局部缺失,且缺失處均位于擰入通孔中的螺紋段。

 

2、化學成分分析

 

按照GB/T 223-2008«鋼鐵及合金化學分析方法»對1號和2號試樣進行化學成分分析,結果見表1。

 

表1 螺釘的化學成分(質量分數)%

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

 

可見試樣的化學成分符合GB/T 3098.1-2016«緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱»對碳鋼的技術要求。

 

3、硬度測試

按照GB/T 4340.1-2009«金屬材料維氏硬度試驗第1部分:試驗方法»對試樣進行維氏硬度測試,試驗載荷為196N,保載時間10s,測試結果見表2。

 

表2 螺釘的硬度測試結果

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

 

可見試樣的硬度符合GB/T 3098.1-2016對8.8級螺釘的技術要求,試樣緊鄰斷口和遠離斷口部位的硬度未見明顯差異。

 

4、脫碳及增碳硬度測試

使用FM-700型顯微維氏硬度計對試樣進行脫碳及增碳硬度測試,加載載荷為2.942N,加載時間為15s,測試位置如圖2所示,結果見表3。

 

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

圖2 螺釘的脫碳及增碳硬度測試位置示意圖

 

表3 螺釘的脫碳及增碳硬度測試結果  HV

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

 

由表3可知,試樣測試點2和3處的硬度與測試點1處的硬度差均小于30HV,表明試樣近表面未見明顯脫碳,滿足GB/T 3098.1-2016對8.8級螺釘的技術要求。

 

5、拉伸試驗

分別取帶原始螺紋和光桿的兩種非標拉伸試樣進行室溫拉伸試驗,結果見表4。

 

表4 螺釘的拉伸試驗結果

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

 

可見帶原始螺紋和光桿拉伸試樣的室溫抗拉強度符合GB/T 3098.1-2016對8.8級螺釘的技術要求,兩種試樣的室溫抗拉強度未見明顯差異。

 

6、金相檢驗

使用OLYMPUSGX71型光學顯微鏡對螺釘表面缺陷及斷口處進行金相檢驗,如圖3和圖4所示。

 

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

圖3 螺紋牙表面缺陷微觀形貌

 

由圖3可知,螺釘的螺紋牙上存在較多折疊缺陷,最長約0.30mm,大部分折疊位于螺紋牙中徑以下,多個折疊位于螺紋牙受力側,不符合GB/T 5779.3-2000«緊固件表面缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求»的技術要求。

 

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

圖4 螺釘斷口顯微組織形貌

 

由圖4可知,螺釘斷口呈穿晶開裂,斷口源區存在折疊缺陷,螺釘表面未見明顯脫碳,斷口顯微組織為回火馬氏體,螺釘的基體顯微組織與斷口處顯微組織無明顯差異。

 

7、掃描電鏡分析

 

螺釘的螺紋牙表面和斷口的掃描電鏡(SEM)形貌如圖5和圖6所示。

 

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

圖5 螺紋牙表面缺陷SEM形貌

 

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

圖6 螺釘斷口SEM形貌

 

由圖5和圖6可知,螺紋牙表面存在大量以環向為主的表面缺陷,裂紋源區位于螺紋牙底部表面,有的螺釘有多個裂紋源區,裂紋源區可見折疊缺陷,擴展區可見疲勞弧線和疲勞條帶。

 

8、能譜分析

 

螺紋牙表面的能譜(EDS)分析結果見表5,測試位置如圖7所示。

 

表5 螺釘表面的EDS分析結果(質量分數)

%

柴油發電機固定螺釘斷裂失效分析

 

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圖7 EDS分析位置

 

由表5可知,螺紋牙表面的主要元素成分為鋅、氧、鉻等。

 

分析與討論

 

由上述理化檢驗結果可知,螺釘的擰入深度不夠,螺釘表面存在超標的折疊缺陷,但螺釘的硬度、化學成分、脫碳及增碳硬度測試結果、室溫抗拉強度等均符合相關標準的技術要求。

 

螺釘斷口呈穿晶開裂,斷口附近存在與斷口平行的二次裂紋,裂紋源區位于螺紋牙底部表面,有的斷口呈多個裂紋源區,裂紋源區可見折疊缺陷,擴展區可見疲勞弧線和疲勞條帶,表明螺釘的失效類型屬于疲勞斷裂。

 

由于出線箱與發電機頂部接觸面積小,在發電機運行期間會引起出線箱四周的上下擺動,使得固定螺釘處產生交變應力;另外螺釘擰入深度不夠,會增大應力集中部位的應力水平;螺釘的螺紋牙表面存在較多的折疊缺陷,裂紋在交變應力作用下于應力集中部位的折疊缺陷處萌生,裂紋不斷擴展直至螺釘斷裂。

 

結論及建議

 

螺釘擰入深度不夠,增大了應力集中部位的應力水平,且螺釘的螺紋牙表面存在較多的折疊缺陷,裂紋在交變應力作用下于應力集中部位的折疊缺陷處萌生并擴展,最終導致螺釘斷裂。

 

建議加強螺釘的入廠檢驗,以避免使用存在超標表面缺陷的螺釘;定期檢查螺釘的工作狀態,發現軸心彎曲、變形的螺釘應及時更換;更換螺桿較長的螺釘使其擰入通孔的深度符合標準要求。

 

作者:潘偉,助理工程師,福建寧德核電有限公司

 

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來源:潘偉理化檢驗

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