某电厂冷却塔风机4号叶片U形紧固螺栓断裂分析

某电厂冷却塔风机 4 号叶片 U 形紧固螺栓断裂分析
发布时间：2021-10-12T07:58:23.461Z 来源：《当代电力文化》2021年17期作者：李江涛1、张斌2、3 [导读] 某电厂6#机力冷却塔风机4号叶片U形紧固螺栓于2021年2月2日发生断裂
李江涛1、张斌2、3
1.北京太阳宫燃气热电有限公司，北京 100028；
2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045；
3.北京华科同和科技有限公司,北京 102200
摘要：某电厂6#机力冷却塔风机4号叶片U形紧固螺栓于2021年2月2日发生断裂，对送检断裂U螺栓进行外观及断口形貌分析、化学成分分析、力学性能试验和金相组织分析，综合分析表明：6#冷却塔风机4号叶片U形紧固螺栓断裂的主要原因是由于螺栓Ⅱ应力过大等因素发生脆性断裂后，引起螺栓Ⅰ受力发生变化而导致疲劳断裂。

关键词：U形螺栓；应力；断裂
1 概述
某电厂机力冷却塔风机使用豪顿的E系列轴流冷却风机，E系列轴流冷却风机叶片为玻璃钢，是一种复合材料，玻璃钢叶片由U形螺栓固定。

#6冷却塔风机叶片共6片，其中固定4号叶片的U形紧固螺栓于2021年2月2日发生断裂。

断裂前风机监测一直很稳定，无异常振动，断裂时振动加剧，监测数据急剧升高。

断裂 U形紧固螺栓材质为AISI304，规格为M30mm，螺栓运行环境较潮湿，工作温度约为25℃，累计运行时间不详。

U形螺栓正常安装、断裂螺栓位置示意图及送检断裂螺栓外观如图1～4所示。

2试验主要依据
检验检测中主要依据的标准如下：
SA-193/SA-193M-2017《高温或高压用其他特殊用合金钢和不锈钢螺栓材料》 DL/T991-2006《电力设备金属光谱分析技术导则》 GB/T 231.1-2009《金属材料布氏硬度试验》 GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》 GB/T33362-2016《金属材料硬度值换算表》 ASTM E8/E8M-2016a《金属材料拉伸试验方法》 DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》3 检验方案与试验设备
本次分析所涉及的主要试验内容如下：（1）宏观形貌分析；
（2）化学成分分析；
（3）力学性能试验；
（4）金相检验；
分析过程中主要采用以下检测设备，见表1。

4 取样位置及对应编号
送检U形螺栓外观如图3、图4所示。

将位于轮毂外圈螺栓标记为Ⅰ，将位于轮毂内圈螺栓标记为Ⅱ。

螺栓Ⅰ有一处断裂，整体已变形；螺栓Ⅱ有两处断裂，其中一处靠近螺纹端面的断口部分缺失。

对螺栓断口进行标记如下：螺栓Ⅰ断裂成两部分，靠近螺纹端面的部分标记为A-L，靠近螺杆部分标记为A-G；螺栓Ⅱ断裂成三部分，将其中一处靠近螺纹端面断口标记为B-L，靠近螺杆部分标记为B-G；另外一处断裂，将靠近螺杆的断口标记为C-G，靠近螺纹端面的断口部分缺失。

在靠近断口位置取样，对其进行宏观、化学成分、金相组织、硬度试验；在Ⅰ、Ⅱ螺栓直段上分别取两个室温拉伸试样标记为
Ⅰ-A、Ⅰ-W、Ⅱ-B、Ⅱ-C，如图5所示。

5 试验结果与分析
5.1 宏观形貌分析
对电厂送检的6#冷却塔风机4号叶片U形紧固螺栓断口进行观察。

螺栓Ⅰ断裂成两部分，断口A位于靠近杆的第一、第二螺纹处，周围未明显塑性变形痕迹，断口较平齐，可见金属光泽，存在明显的贝纹状的疲劳弧线，为疲劳断口。

疲劳源区为位于断口边缘，螺纹根部，为疲劳疲劳弧线收敛的位置，棘轮状特征，为线性疲劳源；疲劳扩展区可见明显的贝纹状的疲劳弧线、较平滑，占整个断口的90%以上；瞬断区极小，与断口呈一定角度，在瞬断区边缘可见剪切切唇。

螺栓Ⅱ断裂成三部分，断口B与断口A相比较，断口较粗糙不平坦，氧化严重，断口上附着有锈迹，断口上可见分层及放射状条纹，根据放射条纹的走向和锈蚀颜色的深浅可以判断，断裂起源于螺纹根部；断口C与断口A相比较，断口氧化严重，较粗糙，断口高低不平，有台阶的宏观特征，脆性较大；断口B和断口C周围均未见明显塑性变形痕迹，断裂位置均位于中间的螺纹根部位置，呈现脆性断裂特征，均
为脆性断口，断裂时间较早。

如图7、图8所示。

5.2化学成分分析
利用牛津FOUNDRY-MASTER PRO 的台式光谱分析仪对螺栓Ⅰ和螺栓Ⅱ进行化学成分分析，主要化学元素见表2。

依据SA-193/SA-193M-2017中的要求，由表可知，螺栓Ⅰ中杂质元素S超出标准上限，其他合金元素含量在标准范围内；螺栓Ⅱ中各合金元素含量均在标准
要求范围内。

5.4金相试验
对A-G、B–G、C–G试样纵截面进行机械抛光后观察，发现螺栓Ⅰ和螺栓Ⅱ均存在沿轴线纵向分布的非金属夹杂物，按照标准
GB/T10561-2005中A法判断，Ⅰ-A-G、Ⅱ-B–G、Ⅱ-C–G试样中长条状端部呈圆角的灰色非金属夹杂物为硫化物，级别均为A2.5。

经查阅，标准SA-193/SA-193M-2017中并未对控制非夹杂物级别做要求。

王水腐蚀后试样金相组织为奥氏体，金相组织正常。

螺纹边缘晶粒发生变
形，螺纹表面未见加工缺陷和腐蚀痕迹，断口B边缘裂纹呈穿晶扩展，如图9～11所示。

6 综合分析
依据标准SA-193/SA-193M-2017标准中要求，螺栓的化学成分基本符合标准，排除错用材质的可能。

螺栓心部金相组织正常，室温拉伸及布氏硬度符合标准要求，说明螺栓热处理工艺控制较好，螺栓强度、塑性很好。

从受力方面分析，服役过程中U形螺栓主要承受叶片旋转方向上的气动力、叶片及叶片轴自身的重力和离心力，通过达到一定的拧紧力矩将叶片轴夹紧来克服以上作用力，另外，叶片离心力使得U形螺栓承受一定的摩擦力，U形螺栓的U部分因此受到附加弯矩作用。

对于螺栓来说，其本身的应力分布是很不均匀的，应力集中位置易于微裂纹萌生。

螺纹金相组织中晶粒变形，可产生残余组织应力，发生加工硬化现象，螺纹硬度提高，脆性增大；沿螺栓轴向分布的非金属夹杂物属于与基体结合较弱的脆性相，会破坏基体的连续性，夹杂物与基体间的界面处应力集中水平较高；螺栓通过螺纹逐渐传递给螺母，螺纹相当于缺口作用，螺纹根部为螺栓应力较集中部位。

从螺栓断口宏观形貌观察，可判断两根螺栓断裂时间和断裂方式是完全不同的。

螺栓Ⅱ断口B和断口C氧化严重，断口周围均未见明显塑性变形痕迹，断口高低不平，较粗糙，说明螺栓Ⅱ断裂时间较早，在断裂的过程中材料没有经过塑性变形阶段而直接发生了断裂，属于瞬时快速断裂。

螺栓Ⅰ的断口可见金属光泽，呈现疲劳断裂的特征，说明螺栓Ⅰ断裂时间较晚，螺纹根部萌生裂纹之后在某种循环载荷的作用下不断地扩展，直至最终应力超过剩余截面的承载能力而发生断裂失效。

由于螺栓Ⅱ断裂时间较早，因此首先对导致螺栓Ⅱ发生脆性断裂的原因进行分析。

导致其发生脆性断裂的因素大致有以下几个方面：螺栓本身性能、运行中环境因素及产生超过螺栓承载能力的外力、其本身承受应力较大等。

螺栓金相组织正常，螺纹外表面未见明显加工缺陷，螺栓强度、塑性很好，排除因螺栓材料缺陷和力学性能不足引起的断裂；据电厂技术人员提供信息，螺栓在服役期间叶片稳定运行，无异常振动，以及金相检验中螺纹根部未见腐蚀迹象，由此可排除运行环境和存在超过螺栓承载能力的载荷的可能；因此推断，螺栓本身承受应力较大为本次断裂的主要原因。

U形螺栓在安装施工的过程中施加过大的预紧力及螺纹晶粒变形产生残余组织应力等因素均可造成螺栓应力增大。

正是这种应力过大才会产生穿晶扩展裂纹。

另外，螺纹根部应力较集中程度较高、非金属夹杂物破坏基体的连续性均易于萌生微裂纹促进断裂发生。

正常运行状态下，叶片稳定运行，无循环交变载荷，螺栓Ⅰ不会发生疲劳断裂。

但若螺栓Ⅱ发生断裂，必然改变螺栓Ⅰ的受力情况和叶片的平衡状态引起叶片振动，可视为对螺栓Ⅰ施加了循环载荷，引起疲劳断裂。

7 结论
某电厂6#冷却塔风机4号叶片U形螺栓断裂是由于由于螺栓Ⅱ应力过大发生脆性断裂后，引起螺栓Ⅰ受力发生变化而导致疲劳断裂。

参考文献
[1]门正兴,马亚鑫,杨泽云,苏艳红.大型成形设备紧固螺栓断裂原因分析[J].铸造技术,2018,39(07):1623-1625.
[2]周漪,贺明强,梅华生,王长朋.风力发电机紧固螺栓断裂失效分析[J].装备环境工程,2016,13(05):170-175.
[3]杨莉,俄馨,史伟.风叶片紧固用高强度螺栓断裂原因分析[J].热处理技术与装备,2016,37(03):25-28.
作者简介:李江涛，1988年2月25号生，男，汉族，北京，大学本科，金属专工，助理工程师，电站转动设备故障分析与金属部件失效机理研究。

张斌，1988年3月19日生，女，汉，山东省菏泽市，本科，理化检验师，工程师，电厂金属部件失效分析。