摘 要:針對(duì)某電廠低壓加熱器疏水泵導(dǎo)流殼連接螺栓的斷裂失效,采用宏觀檢查、化學(xué)成分分 析、硬度試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡斷口分析等方法對(duì)螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:螺栓斷 裂為典型的韌性過載斷裂;一方面螺栓牙底存在成型缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中,降低螺栓承載能力,另一 方面疏水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)使疏水泵受到較大沖擊載荷,二者共同作用導(dǎo)致結(jié)合面部位的連接螺 栓于螺牙底部應(yīng)力集中部位發(fā)生過載斷裂失效.最后提出了改進(jìn)建議. 

關(guān)鍵詞:疏水泵;連接螺栓;過載斷裂;成型缺陷;振動(dòng);失效分析 

中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４４７Ｇ０６ 

低壓加熱器(簡(jiǎn)稱低加)疏水系統(tǒng)是發(fā)電廠重要 的系統(tǒng)之一,其主要功能是把表面式加熱器的汽側(cè)疏 水收集并匯集于主凝結(jié)水或主給水系統(tǒng).疏水收集 方式主要有逐級(jí)自流和疏水泵收集兩種方式.其中 疏水逐級(jí)自流方式具有簡(jiǎn)單、可靠等優(yōu)點(diǎn),但是疏水 全部逐級(jí)流入凝汽器熱井,經(jīng)循環(huán)冷卻水冷卻后通過 凝結(jié)水泵打入低壓加熱器,再利用抽汽加熱凝結(jié)水. 此過程中低壓加熱器的疏水經(jīng)冷卻后再加熱,增加了 系統(tǒng)的能量損失;同時(shí)由于疏水逐級(jí)回流要排擠低壓 抽汽,這會(huì)產(chǎn)生不可逆損失.為了盡可能減少這種損 失,發(fā)電廠多采用疏水泵收集方式,增加疏水泵能有 效截流疏水,降低疏水溫度,徹底消除疏水自流造成 的負(fù)面影響,從而提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性[１Ｇ３].

某電廠給水加熱器疏水回收系統(tǒng)從低壓加熱器 殼側(cè)收集凝結(jié)水送入低壓加熱器疏水箱.每臺(tái)機(jī)組 共有２臺(tái)疏水泵,２臺(tái)疏水泵均為５０％容量的臥式 多級(jí)離心泵,每臺(tái)疏水泵用于一個(gè)低壓加熱器系列. 斷裂的螺栓為疏水泵第１級(jí)和第２級(jí)導(dǎo)流殼之間的 連接螺栓,斷裂位置如圖１所示.該螺栓于２０１５年 １２月安裝,斷裂時(shí)間為２０１６年９月,服役僅１０個(gè) 月.螺栓型號(hào)為M８×４０,材料為 A２Ｇ７０不銹鋼,斷 裂螺栓共５根(依次編號(hào)為１~５號(hào)),對(duì)比螺栓１根(編號(hào)為６號(hào)).為查明該疏水泵導(dǎo)流殼連接螺栓斷 裂失效的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,并提出 了改進(jìn)建議,為機(jī)組的后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀檢查 

宏觀檢查發(fā)現(xiàn):１~４號(hào)失效螺栓的斷裂位置基 本一致,均位于距離螺栓頭部約１６mm 處第５~８ 個(gè)螺牙的底部,５號(hào)失效螺栓斷裂位置位于距離螺 栓頭部約１６mm 處第５~６個(gè)螺牙的底部;斷口附 近均存在明顯的宏觀塑性變形,失效螺栓斷口與螺 栓軸線約呈４５°角,斷口表面較粗糙,且色澤灰暗, 未見腐蝕特征,如圖２所示.

１．２ 化學(xué)成分分析 

對(duì)１~６號(hào)螺栓分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果見表１.可見所有螺栓的化學(xué)成分均符合 GB/T ３０９８．６－２０１４«緊固件機(jī)械性能 不銹鋼螺栓、螺釘 和螺柱»對(duì) A２Ｇ７０不銹鋼螺栓的技術(shù)要求. 

１．３ 硬度試驗(yàn) 

在橫向金相檢驗(yàn)面上進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn),試驗(yàn) 設(shè)備為 HVＧ５０型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計(jì),試驗(yàn)條 件如下:負(fù)荷９８N(１０kgf)、負(fù)荷保持時(shí)間１０s,試 驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T４３４０．１－２００９«金屬材料 維氏硬度 試驗(yàn) 第１部分:試驗(yàn)方法». 

硬度試驗(yàn)結(jié)果如表２所示,可見所有螺栓的維 氏硬度在３２９．５~３５４．７ HV,斷裂螺栓和正常螺栓 之間未 見 明 顯 差 異;另 GB/T３０９８．６－２０１４ 未 對(duì) A２Ｇ７０不銹鋼螺栓的維氏硬度作具體要求.

１．４ 金相檢驗(yàn) 

在失效螺栓和對(duì)比螺栓上分別截取金相試樣進(jìn) 行顯微組織檢驗(yàn)、螺牙成型質(zhì)量檢驗(yàn)和非金屬夾雜 物 檢 驗(yàn). 測(cè) 試 設(shè) 備 為 ZEISS AXIOVERT ２００ MAT 研究級(jí)倒置萬(wàn)能金相顯微鏡和 VHＧ１０００ 體 視顯微鏡.檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T１３２９９－１９９１«鋼的 顯微組織評(píng)定方法»、GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金 屬夾雜物含量的測(cè)定———標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法».

１．４．１ 非金屬夾雜物檢驗(yàn) 

非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果如下:１號(hào)螺栓的非金 屬夾雜物類別及等級(jí)為 D１;２號(hào)螺栓的非金屬夾雜 物類別及等級(jí)為 D０．５;３號(hào)螺栓的非金屬夾雜物類 別及等級(jí)為 D１;４號(hào)螺栓的非金屬夾雜物類別及等 級(jí)為 B１,D０．５;５號(hào)螺栓的非金屬夾雜物類別及等 級(jí)為 D１;６ 號(hào)螺栓的非金屬夾雜 物 類 別 及 等 級(jí) 為 D１.可見所有螺栓材料的純凈度均較佳.

１．４．２ 顯微組織檢驗(yàn)

１~６號(hào)螺栓橫向剖面顯微組織形貌如圖３所 示,均為奧氏體,晶粒度為７~８級(jí),斷裂螺栓和正常 螺栓之間未見明顯差異.

１．４．３ 螺牙成型質(zhì)量檢驗(yàn)

１~６號(hào)螺栓的螺牙形貌如圖４~９所示.由圖 ４~８可見,失效螺栓牙頂有輕微折疊缺陷,近斷口 處的牙底部位亦存在折疊缺陷,螺牙表面有厚度不 均勻的形變硬化層,２號(hào)和４號(hào)螺栓斷口側(cè)牙頂和 ５號(hào)螺栓斷口兩側(cè)牙頂均存在明顯的變形.由圖９可見,６號(hào)螺栓螺牙表面亦存在厚度不均勻的形變 硬化層,牙頂也有輕微折疊缺陷.

１．５ 斷口微觀分析

對(duì) 斷 裂 螺 栓 斷 口 使 用 TESCAN VEGA TS５１３６XM 掃描電鏡(SEM)進(jìn)行微觀特征分析,測(cè) 試標(biāo)準(zhǔn)為JY/T０１０Ｇ１９９６«分析型掃描電子顯微鏡 方法通則».

螺栓斷口微觀分析結(jié)果如圖１０所示.所有失 效螺栓斷裂均啟始于螺栓牙底部位,斷口各區(qū)域形 貌特征均為典型的韌窩.

２ 綜合分析 

綜合以上理化檢驗(yàn)結(jié)果分析,失效螺栓和對(duì)比 螺栓的化學(xué)成分均滿足 GB/T３０９８．６－２０１４對(duì) A２Ｇ ７０不銹鋼螺栓成分的技術(shù)要求;參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬 度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行換算,斷裂失效螺栓抗拉強(qiáng)度約為 １１００MPa,滿足 GB/T３０９８．６－２０１４對(duì) A２Ｇ７０不 銹鋼螺栓強(qiáng)度的技術(shù)要求;失效螺栓的非金屬夾雜 物含量較低,材料的純凈度較佳,顯微組織為奧氏 體,晶粒度為７~８級(jí),未見組織異常情況.由此,可 以排除螺栓原材料材質(zhì)不合格引起斷裂失效的可 能.但由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,螺栓存在牙底成型缺 陷,缺陷處可以成為螺栓失效的敏感區(qū)域[４]. 

其次,螺栓斷口附近存在明顯的宏觀塑性變形, 失效螺栓斷口與螺栓軸線約呈４５°角,斷口各區(qū)域 微觀形貌均為韌窩,為典型的韌性過載斷裂斷口.

再次,螺栓斷裂位置基本處于同一位置,均位于１級(jí)和２級(jí)導(dǎo)流殼安裝結(jié)合面處,且啟裂位置均處 于螺紋牙底.該機(jī)組所用疏水泵為臥式多級(jí)離心 泵,最 小 流 量 為 ６９．２ m３ ?? h－１,最 大 流 量 為 ２４０m３??h－１.研究 表 明[５Ｇ７],當(dāng) 疏 水 泵 啟 停 時(shí),吸 入泵中的空氣將在輸送液體中以溶解態(tài)或者非溶解 態(tài)的形式存在,當(dāng)管道或者離心泵內(nèi)含有大量氣泡 時(shí),這些氣泡便會(huì)大量聚集在管道系統(tǒng)或者離心泵 的某些部位,進(jìn)而形成氣囊,氣囊破滅時(shí)會(huì)對(duì)疏水泵 產(chǎn)生較大的沖擊,從而導(dǎo)致結(jié)合面部位的連接螺栓 在螺紋牙底缺陷應(yīng)力集中處發(fā)生過載斷裂失效.

３ 結(jié)論及建議

低壓加熱器疏水泵導(dǎo)流殼連接螺栓存在牙底成 型缺陷,形成應(yīng)力集中,加之疏水泵受到過大沖擊載 荷,從而導(dǎo)致結(jié)合面部位處的連接螺栓于應(yīng)力集中 的螺紋牙底發(fā)生過載斷裂失效.

建議一方面加強(qiáng)螺栓質(zhì)量檢查,避免存在牙底成型缺陷的螺栓投入使用;另一方面,由于疏水系統(tǒng) 在啟停時(shí)易吸入空氣,以及在運(yùn)行中大的流量變化, 使得疏水泵承受較大的沖擊載荷,因此建議在疏水 泵啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行排空處理,同時(shí)控制運(yùn)行中大的流量 波動(dòng)速度,保證疏水泵長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行.

參考文獻(xiàn): 

[１] 李路江,王建．低壓加熱器疏水系統(tǒng)改進(jìn)及經(jīng)濟(jì)性分 析[J]．熱力發(fā)電,２００８,３７(１２):６２Ｇ６４． 

[２] 林萬(wàn)超．火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M]．西安:西安交通 大學(xué)出版社,１９９４． 

[３] 劉亞昆,肖增弘．３００ MW 機(jī)組低壓加熱器疏水系統(tǒng) 優(yōu)化[J]．沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),２０１３,９ (３):２３５Ｇ２３７． 

[４] 溫愛玲,路文娟,王生武,等．３５CrMo螺栓斷裂分析 [J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１４,５０(９):６７４Ｇ６７６． 

[５] 劉子榮．低壓加熱器疏水泵振動(dòng)原因分析[J]．科技信 息,２０１３(１３):１２３Ｇ１２４． 

[６] 尹萍．低加疏水泵出口管道振動(dòng)診斷與排除[J]．汽輪 機(jī)技術(shù),２００２,４４(１):４８Ｇ５０． 

[７] 李曉輝．３５０MW 汽輪機(jī)低加疏水泵故障原因探討和 預(yù)防[J]．電站輔機(jī),２００７,２８(２):２３Ｇ２５．

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