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失效分析现场直击——柴油发电机固定螺钉断裂失效分析

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为了确保核电厂应急响应用电的安全,应急柴油发电机的必须始终安全运行。发电机各部件的连接主要通过螺纹类紧固件连接,螺钉作为重要的紧固件,一旦失效就会造成很大的危害。

事故背景

某核电机组应急柴油发电机固定螺钉发生断裂,该螺钉表面经过镀锌处理,材料为碳钢,规格为m12mm×50mm,性能等级8.8级,为高强度螺钉,该螺钉热处理工艺为调质处理。柴油发电机引线隔板固定螺钉失效会加速引线断裂、促使其他部件震动失稳从而失效。

理化检验

1

宏观观察

从该柴油发电机隔板上取出5根螺钉,分别编号为1~5号,其宏观形貌如图1所示。

图1 螺钉试样的宏观形貌

可见,5根螺钉拧入通孔中的深度均约为10mm,不符合«机械设计手册第2卷»表5-1-53中“公称直径为12mm的螺钉拧入通孔的深度为15mm”的推荐值;3根断裂螺钉的断裂位置均位于发电机与顶部钢板结合处,即受力最大部位;螺钉存在多处螺纹牙局部缺失,且缺失处均位于拧入通孔中的螺纹段。

2

化学成分分析

按照gb/t 223-2008«钢铁及合金化学分析方法»对1号和2号试样进行化学成分分析,结果见表1。

表1 螺钉的化学成分(质量分数)

可见试样的化学成分符合gb/t 3098.1-2016«紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱»对碳钢的技术要求。

3

硬度测试

按照gb/t 4340.1-2009«金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法»对试样进行维氏硬度测试,试验载荷为196n,保载时间10s,测试结果见表2。

表2 螺钉的硬度测试结果

可见试样的硬度符合gb/t 3098.1-2016对8.8级螺钉的技术要求,试样紧邻断口和远离断口部位的硬度未见明显差异。

4

脱碳及增碳硬度测试

使用fm-700型显微维氏硬度计对试样进行脱碳及增碳硬度测试,加载载荷为2.942n,加载时间为15s,测试位置如图2所示,结果见表3。

图2 螺钉的脱碳及增碳硬度测试位置示意图

表3 螺钉的脱碳及增碳硬度测试结果

hv

由表3可知,试样测试点2和3处的硬度与测试点1处的硬度差均小于30hv,表明试样近表面未见明显脱碳,满足gb/t 3098.1-2016对8.8级螺钉的技术要求。

5

拉伸试验

分别取带原始螺纹和光杆的两种非标拉伸试样进行室温拉伸试验,结果见表4。

表4 螺钉的拉伸试验结果

可见带原始螺纹和光杆拉伸试样的室温抗拉强度符合gb/t 3098.1-2016对8.8级螺钉的技术要求,两种试样的室温抗拉强度未见明显差异。

6

金相检验

使用olympusgx71型光学显微镜对螺钉表面缺陷及断口处进行金相检验,如图3和图4所示。

图3 螺纹牙表面缺陷微观形貌

由图3可知,螺钉的螺纹牙上存在较多折叠缺陷,最长约0.30mm,大部分折叠位于螺纹牙中径以下,多个折叠位于螺纹牙受力侧,不符合gb/t 5779.3-2000«紧固件表面缺陷螺栓、螺钉和螺柱特殊要求»的技术要求。

图4 螺钉断口显微组织形貌

由图4可知,螺钉断口呈穿晶开裂,断口源区存在折叠缺陷,螺钉表面未见明显脱碳,断口显微组织为回火马氏体,螺钉的基体显微组织与断口处显微组织无明显差异。

7

扫描电镜分析

螺钉的螺纹牙表面和断口的扫描电镜(sem)形貌如图5和图6所示。

图5 螺纹牙表面缺陷sem形貌

图6 螺钉断口sem形貌

由图5和图6可知,螺纹牙表面存在大量以环向为主的表面缺陷,裂纹源区位于螺纹牙底部表面,有的螺钉有多个裂纹源区,裂纹源区可见折叠缺陷,扩展区可见疲劳弧线和疲劳条带。

8

能谱分析

螺纹牙表面的能谱(eds)分析结果见表5,测试位置如图7所示。

表5 螺钉表面的eds分析结果(质量分数)

%

图7 eds分析位置

由表5可知,螺纹牙表面的主要元素成分为锌、氧、铬等。

分析与讨论

由上述理化检验结果可知,螺钉的拧入深度不够,螺钉表面存在超标的折叠缺陷,但螺钉的硬度、化学成分、脱碳及增碳硬度测试结果、室温抗拉强度等均符合相关标准的技术要求。

螺钉断口呈穿晶开裂,断口附近存在与断口平行的二次裂纹,裂纹源区位于螺纹牙底部表面,有的断口呈多个裂纹源区,裂纹源区可见折叠缺陷,扩展区可见疲劳弧线和疲劳条带,表明螺钉的失效类型属于疲劳断裂。

由于出线箱与发电机顶部接触面积小,在发电机运行期间会引起出线箱四周的上下摆动,使得固定螺钉处产生交变应力;另外螺钉拧入深度不够,会增大应力集中部位的应力水平;螺钉的螺纹牙表面存在较多的折叠缺陷,裂纹在交变应力作用下于应力集中部位的折叠缺陷处萌生,裂纹不断扩展直至螺钉断裂。

结论及建议

螺钉拧入深度不够,增大了应力集中部位的应力水平,且螺钉的螺纹牙表面存在较多的折叠缺陷,裂纹在交变应力作用下于应力集中部位的折叠缺陷处萌生并扩展,最终导致螺钉断裂。

建议加强螺钉的入厂检验,以避免使用存在超标表面缺陷的螺钉;定期检查螺钉的工作状态,发现轴心弯曲、变形的螺钉应及时更换;更换螺杆较长的螺钉使其拧入通孔的深度符合标准要求。

选自:《理化检验—物理分册》 vol.55 2019.3

作者:潘伟,助理工程师,福建宁德核电有限公司

关键词: 发电   发电机   电机   螺钉  
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