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尾水管是大型水輪發(fā)電機(jī)組的重要部件，其主要作用是利用下游水面到機(jī)組轉(zhuǎn)輪出口的高程差，在轉(zhuǎn)輪出口形成靜力真空，從而將該處水流引向下游；還能利用轉(zhuǎn)輪出口的水流動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)力真空以回收水流能量從而提高發(fā)電效率。因此，尾水管工作狀態(tài)正常與否直接關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。

黃河中游某大型水電站2號(hào)機(jī)組為HLFN235-LJ-610型立軸混流式水輪機(jī)(功率為180MW)，該水輪機(jī)采用金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱規(guī)格為?6.087m，由兩個(gè)規(guī)格為?490mm的直缸式接力器通過(guò)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制24只導(dǎo)葉，以調(diào)節(jié)水輪機(jī)的力度和停機(jī)切斷水流，采用彎肘型尾水管導(dǎo)流及回收能量。該水輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生尾水管進(jìn)人門連接螺栓斷裂失效。此次斷裂發(fā)生時(shí)，該批次螺栓已累計(jì)使用約76000h。

宏觀分析

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌

尾水管進(jìn)人門連接螺栓是8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓，材料為40Cr鋼，規(guī)格為M30mm×120mm。對(duì)尾水管進(jìn)行宏觀檢查，由圖1可見(jiàn)，尾水管進(jìn)人門連接螺栓表面較粗糙且銹蝕嚴(yán)重，斷裂處位于螺桿與六角頭連接的變截面過(guò)渡部位；斷口表面整體較平整，未見(jiàn)明顯的塑性變形；斷口與螺栓軸線垂直，存在起裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，為典型的疲勞斷口形貌。起裂區(qū)位于斷口邊緣，擴(kuò)展區(qū)占據(jù)了斷口表面大部分區(qū)域，該區(qū)域呈暗灰色，表面細(xì)密平滑，可以觀察到較清晰的“海灘狀”疲勞條紋。瞬斷區(qū)位于和起裂區(qū)對(duì)稱的斷口邊緣，其所在區(qū)域面積約為斷口面積的1/10，表面較粗糙。此外，斷口及附近區(qū)域未見(jiàn)機(jī)械損傷及腐蝕損傷等缺陷。

化學(xué)成分分析

對(duì)進(jìn)人門連接螺栓取樣，采用SPECTROLABMAXx型火花源原子發(fā)射光譜儀對(duì)試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)人門連接螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

可見(jiàn)該螺栓的化學(xué)成分在GB/T 3077－2015«合金結(jié)構(gòu)鋼»對(duì)40Cr鋼的成分要求范圍內(nèi)。

金相檢驗(yàn) 

圖3 進(jìn)人門連接螺栓不同部位的顯微組織形貌

對(duì)進(jìn)人門連接螺栓截取斷口位置制樣，試樣經(jīng)磨制、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為4％的硝酸酒精溶液浸蝕，然后使用Axio Observer Alm型研究級(jí)倒置金相顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖3a)可見(jiàn)，螺栓基體顯微組織為回火索氏體+塊狀鐵素體，說(shuō)明螺栓調(diào)質(zhì)處理工藝不當(dāng)，加熱溫度較低或保溫時(shí)間不足，造成鐵素體未完全奧氏體化而存在較多塊狀鐵素體。由圖3b)可見(jiàn)，螺桿表層存在厚度約40μm的全脫碳層組織及70μm的半脫碳層組織。

力學(xué)性能試驗(yàn)

采用CMT5305型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)進(jìn)人門連接螺栓進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)人門連接螺栓的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

可以看出螺栓的維氏硬度和－20℃下的沖擊吸收能量均符合GB/T 3098.1－2010«緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱»的要求；根據(jù)GB/T 1172－1999«黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值»，將硬度測(cè)試值換算成抗拉強(qiáng)度后，其抗拉強(qiáng)度也符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。

水輪機(jī)尾水管進(jìn)人門連接螺栓一般需進(jìn)行淬火加回火的調(diào)質(zhì)處理以達(dá)到使用要求。在淬火工藝中，由于加熱溫度較高，螺栓表層碳原子因受熱振動(dòng)脫離金屬晶格的束縛逃逸，從而在螺栓表面形成大量的全脫碳層。在熱力作用下全脫碳層鐵素體晶粒長(zhǎng)大較為嚴(yán)重，且與基體的回火索氏體組織差別較大，淬火過(guò)程中在較大的組織應(yīng)力及膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的應(yīng)力作用下沿全脫碳層鐵素體晶界形成微裂紋。螺桿與六角頭連接變截面及螺紋牙底等部位存在微裂紋，同時(shí)由于全脫碳層硬度低，導(dǎo)致上述部位的抗疲勞性能嚴(yán)重降低。

對(duì)于混流式水輪機(jī)，在偏離最優(yōu)工況的小開(kāi)度區(qū)和大開(kāi)度區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口會(huì)有不同程度的回流使尾水管內(nèi)形成低頻壓力脈動(dòng)，從而對(duì)進(jìn)人門產(chǎn)生非穩(wěn)定的脈動(dòng)沖擊，使進(jìn)人門連接螺栓承受循環(huán)沖擊載荷。在循環(huán)沖擊載荷作用下，螺栓會(huì)在全脫碳層的晶界微裂紋處形成疲勞源，且裂紋在尾水管過(guò)流產(chǎn)生的循環(huán)載荷作用下不斷擴(kuò)展。

螺栓的組織中存在較多的塊狀鐵素體，說(shuō)明螺栓在淬火過(guò)程中加熱溫度偏低或保溫時(shí)間不足，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變不充分。此外，大量塊狀鐵素體的存在會(huì)降低螺栓的強(qiáng)度和韌性，使其抵抗疲勞斷裂的能力大幅下降。

螺栓表面較粗糙，推測(cè)這是由于在前期車削加工中刀口較粗糙造成螺栓表面損傷，這易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致螺栓抗疲勞性能下降。此外，從斷口形貌可以看出，螺栓斷口大部分區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū)，該區(qū)域疲勞條紋密集，說(shuō)明螺栓在使用過(guò)程中承載的應(yīng)力水平較低且應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多，呈現(xiàn)典型的高周低應(yīng)力疲勞斷裂特征，即螺栓不存在過(guò)載荷使用的情況。

尾水管進(jìn)人門連接螺栓在加工過(guò)程中由于熱處理控制不當(dāng)，造成螺栓表層形成大量的全脫碳層，并使螺栓組織中存在較多的塊狀鐵素體，降低了螺栓的強(qiáng)度和韌性，造成其抵抗疲勞斷裂的能力不足。在尾水管過(guò)流產(chǎn)生的循環(huán)沖擊載荷作用下，在全脫碳層的晶界微裂紋處形成疲勞源，并以高周低應(yīng)力方式擴(kuò)展至斷裂。

為保證進(jìn)人門連接螺栓的質(zhì)量，首先應(yīng)嚴(yán)格控制螺栓熱處理工藝，防止形成全脫碳層；其次應(yīng)優(yōu)化加工工藝，通過(guò)降低表面粗糙度等方式增強(qiáng)螺栓的抗疲勞性能；再次應(yīng)優(yōu)化水輪機(jī)的運(yùn)行工況，避免頻繁出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪出口回流現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓斷裂失效。