高强度螺栓失效分析与探讨

水电厂高强度螺栓失效分析与探讨
杨兴乾赵少勇
摘要：高强度螺栓在水电厂运用十分重要,2009年8月俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂造成的后果给了我们深刻教训。

2013年3月思林发电厂#1机组A修时,我厂接力器基础螺栓进行超声波探伤检测时发现两颗存在缺陷的螺栓，以此为实例，我厂金属监督对螺栓失效进行了深入的分析和探讨，归纳其常见的失效形式，即材质缺陷、过载失效、应力腐蚀、及疲劳性能失效，同时提出相应的监督措施。

关键词：水电厂；螺栓；失效；强度
一、前言
螺栓是水电厂机组的重要部件，在制造过程中由于螺栓本身的材质及控制工艺过程不当，螺栓在长期的承受应力作用下会发生缓慢的、连续的塑性变形，从而使螺栓容易出现裂纹，高强度螺栓指的是强度达8.8级及以上的螺栓，一般用于水电厂和其他重要的螺栓。

同时各种结构的螺栓种类繁多，规格也各不相同，但均使用了不少的高强度螺栓。

对于我厂而言，高强度螺栓作为机组转动部件的连接部件和密封部件是最为常用的。

2009年8月俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站机组长期振动超标引发水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂，导致发生了水电史上空前的特大事故，引起水电界金属同行的高度关注。

在此基础上结合我厂的实际情况及此次出现的接力器基础螺栓探伤检测的缺陷，本文以我厂高强螺栓存在缺陷的失效案例，对其常见的缺陷进行归类分析，以此来为同行进行交流和学习。

二、我厂接力器基础螺栓缺陷介绍
我厂#1机组A修期间，在对接力器基础的高强度螺栓进行超声波探伤检测时出现了两颗存在缺陷的螺栓，该螺栓规格型号为：M42x283mm，此螺栓在我厂投产至今已服役五年，在机组的不同检修类别中都要对相应的金属监督部件进行探伤检测，此次发现接力器基础螺栓存在的缺陷引起了我厂金属监督的深刻反思和探讨，同时也为我厂的安全经济稳定运行打了预防针。

针对我厂各部件重要螺栓的制造、安装、运行过程中存在的问题，提出关于螺栓的质量监督，确保设备的安全稳定运行。

以此来增强我们防范于未然的决心。

接力器基础螺栓探伤检测报告详见下表：
单位贵州乌江水电开发有限
责任公司思林发电厂
机组编号#1机组
工件名称接力器基础螺栓规格型号M42x283mm 设计数量检测数量38
仪器型号PXUT-350 仪器编号TG/SB-UT-00
2 表面状况光滑
探头参数探头编号探头型号参考试块探伤灵敏度
探头1 5Pφ14 工件底面底面反射波调
到基准波高检测标准JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》耦合剂机油
螺栓编号缺陷位置深
度（mm）缺陷指示长
度（mm）
缺陷反射波幅结论备注
1 157 / / 缺陷/
2 195 / / 缺陷/
3-38 / / / 合格/
检测结果：超标缺陷建议更换
检测谢东记录王星电厂配合
接力器基础螺栓探伤检测报告
三、失效形式分析
1.材质缺陷
在机组安装初期，只按照标准选取符合工作要求的类型、尺寸和性能等级的螺栓而没有考虑其材质、加工工艺和热处理等，但螺栓的材质、加工工艺和热处理状态正是影响其力学性能、质量的重要因素。

因此在质量管理中出现的材质缺陷是螺栓出现失效的重要因素之一。

在安装过程中，由于预紧力过大等原因，螺栓材料易发生断裂，在机组的长期运行过程中，由于高应力的作用，螺栓材料容易产生疲劳断裂，为确保安全运行，加强对重要部位螺栓的安全管理、全面检验甚为重要。

实例介绍：2011年某大型水电站新购一批8.8级的高强螺栓作为库存备件，其型号直径为M30，材质为45号钢。

在例行的高强螺栓抽检试验中发现，该螺栓存在材质缺陷。

一方面该批螺栓的力学性能不满足GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓螺钉和螺柱》标准要求，其洛氏硬度均大于35HRC，超出了标准规定的22-32HRC的范围。

同时，螺栓的冲击（U型缺口试样）功低于16J，而标准要求8.8级别螺栓的冲击功不低于30J。

另一方面，该批螺栓的金相显微组织观察发现螺牙存在细微的裂纹，如图1所示。

有文献曾报道过，新螺栓的螺牙裂纹与滚齿成型控制有关，由于滚轮使用次数过多或是超期服役，使得滚齿加工能力下降，极可能造成螺牙裂纹的出现。

2.过载失效
螺栓的过载失效是指在服役过程中发生突然瞬间的断裂，这种失效预先并无明显征兆，所以其危害严重。

过载失效特征：
高强度螺栓在水电厂的使用极为广泛，螺栓上的螺纹实际上就同缺口一样，应力集中系数较高。

当其与螺母配合时，应力集中系数进一步提高。

通过压缩螺母传递载荷的螺栓，应力最集中是在靠近螺母支承面的第一扣螺纹处。

此外，由于螺栓的结构特点，头部和杆部交接处的应力也较集中。

因此，螺栓的过载失效而导致其断裂多在这两个部位产生。

3.高强度螺栓的应力腐蚀
（1）应力腐蚀发生的条件
必须有拉伸应力存在。

拉伸应力越大，则断裂所需要的时间越短。

断裂所需要的应力一般低于材料的屈服强度。

螺栓在服役中所承受的拉伸力以及在装配中的预紧力，都是导致发生应力腐蚀的条件。

（2）必须有对材质敏感的腐蚀介质存在
当应力与腐蚀介质形成一个系统时，材料才能发生应力腐蚀开裂的缺陷。

4疲劳性能失效
影响高强度螺栓疲劳性能的因素：
a、螺帽结构的影响；
b、螺纹牙沟形状和半径尺寸的影响；
c、螺栓表面粗糙度的影响；
d、滚制螺纹工序的影响；
实例介绍：2010年某水电厂7号、8号机组的发电机上挡风板连接螺栓出现一定程度的松动，其中7号发电机11号上挡风板3个连接螺栓断裂脱落，螺母与断裂的螺杆未找到，尾部还处于螺孔中，见图2。

该水电厂对7、8号发电机转子、定子等部件进行了全面细致的检查，未发现因螺栓断裂脱落造成的损坏情况。

图2 上挡风板螺栓断裂情形
断裂螺栓的直径为M16，材质为45号钢。

宏观检查断裂螺栓的断口情况，发现其呈明显的疲劳断裂特征，疲劳源在螺栓断口边缘，见图3所示。

由于发电机通风系统在机组运行过程中会不可避免地引起上挡风板的振动，从而造成连接螺栓出现松动，长期在此环境中服役容易导致疲劳断裂。

电厂对此3个螺栓进行了更换，并选用40Cr不锈钢螺栓，以提高疲劳阈值，增强抗断裂能力；同时对螺母与上挡风板之间进行点焊，避免断裂时螺栓脱落而损坏发电机部件。

图3 失效螺栓的断口形貌
四、结论与监督建议
1.以上是我们在工作与使用过程中所遇到的不同类型的螺栓的主要失效模
式及问题发生原因，可见，所有的螺栓发生失效缺陷并不是偶然的，其原因除了其材料存在问题外，其结构问题也是主要原因之一。

水电厂高强螺栓的缺陷主要有4类。

材质缺陷、过载失效、应力腐蚀和疲劳性能失效。

2.在机组检修期间对重要部件的连接螺栓进行100%的超声波探伤，并出具检测报告，根据检测结果确认是否对螺栓进行更换，确保连接螺栓100%合格。

3.加强螺栓的采购质量，为提高螺栓的入厂合格率，金属监督人员应了解其生产过程和质量保证体系，严把质量关，保证设备的安全稳定运行。

4.依照螺栓使用部位、材质、规格、投运时间、检测状况建立重要螺栓台帐，做到全面监控，不留死角。

另一方面要逢停必检，全面排查隐患，对螺栓做好失效分析，并根据不同等级螺栓的使用寿命，到期全部更换。

5.严把质量关，对于我厂新采购的各种高强度螺栓认真履行物资入库验收手续卡，力争把可能存在的事故隐患消除在萌芽状态，验收卡详见下附页。

同时，电厂要针对基础薄弱的金属专业开展人员培训，提高金属材料监督和无损检测的能力。

参考文献
[1]GB/T3098.1-2000紧固件机械性能螺栓螺钉和螺柱[S].
[2]胡世炎，机械失效分析手册[M].成都：四川科学技术出版社，1989.
[3]韩志良，马红卫，丁燕君.高强度螺栓断裂失效分析[J].理化检验一物理分册，2003，39（9）：477-480.
[4]肖纪美.应力作用下的金属腐蚀[M].北京.化学工业出版社.1990；347-348.
附：思林发电厂受监金属材料及受监金属备品配件入库验收卡片
卡片编号：使用单位金属材料或部件名称
使用部位生产厂家
供货状态材质（钢号）入库时间
合格证号规格领用时间
供货数量入库交货人领用人
钢材的化学元素成分（重量百分比% ）及常温力学性能指标
指标 C S Mn P Si Cr Mo V W Ni Ti
σs
MPa
σb
MPa
δ5
%
a k
J/cm2
ψ
%
HB
标准值
实际值
入库前生产厂家相关资料审查
序号资料名称份数审查结果质保单位资料审查人
签名
1 产品合格证
2 材质证明单
3 无损检测报告、理化检测报告（性能、金相）
4 耐压试验报告、热处理报告（热处理规范）
5 进口材料须有国家商检报告
6 重要备品配件设计图
入库前的质量验收工作项目
序号验收工作内容检验
结果
验收部门
检验人员
签名
检验日期
1 光谱分析
2 无损探伤（射线、超声波、磁粉、渗透）
3 理化检测：厚度测量、金相显微组织检验、化学成分、力学性能、几何尺寸是否符合设计要求
4 表面宏观检查设备技术数据：
验收结果1. 经入库前资料审查与金属监督检验，该（批）钢材及备品配件检验
合格，准予入库与领用。

（）
2. 经入库前资料审查与金属监督检验，该（批）钢材及备品配件检验
不合格，应预予退货处理。

（）
部门技术员
物资公司
生技部备品专工
金属监督（盖章）。