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柴油发电机固定螺钉断裂失效分析

2020-12-04
来源: 礼德动力

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[1],螺钉作为重要的紧固件,一旦失效就会造成很大的危害[2]。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M12 mm×50 mm,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[3]。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。因此,笔者采用一系列检验方法对某隔板固定螺钉断裂原因进行了分析,并提出了相应建议。

1 理化检验

1.1 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。可见,5根螺钉拧入通孔中的深度均约为10 mm,不符合《机械设计手册 第2卷》表5-1-53中“公称直径为12 mm的螺钉拧入通孔的深度为15 mm”的推荐值[4];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。

图1 螺钉试样的宏观形貌
Fig.1 Macro morphology of the screw specimens

1.2 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。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。

1.3 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196 N,保载时间10 s,测试结果见表2。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。

表1 螺钉的化学成分(质量分数)
Tab.1 Chemical compositions of the screws (mass fraction) %

表2 螺钉的硬度测试结果
Tab.2 Hardness test results of the screws

1.4 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2.942 N,加载时间为15 s,测试位置如图2所示,结果见表3。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30 HV,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。

1.5 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。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。

图2 螺钉的脱碳及增碳硬度测试位置示意图
Fig.2 Schematic diagram of hardness test positions for decarbonization and carburization of the screws

表3 螺钉的脱碳及增碳硬度测试结果

Tab.3 Hardness test results of decarbonization and carburizationof the screwsHV

1.6 金相检验

使用OLYMPUS GX71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。由图3可知,螺钉的螺纹牙上存在较多折叠缺陷,最长约0.30 mm,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。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。

表4 螺钉的拉伸试验结果
Tab.4 Tensile test results of the screws

图3 螺纹牙表面缺陷微观形貌
Fig.3 Micro morphology of the surface defects of the thread tooth: a) defect 1; b) defect 2

图4 螺钉断口显微组织形貌
Fig.4 Microstructure morphology of fracture surface of the screw

1.7 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。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。

图5 螺纹牙表面缺陷SEM形貌
Fig.5 SEM morphology of the surface defect of the thread tooth:a) defect 1; b) defect 2

图6 螺钉断口SEM形貌
Fig.6 SEM morphology of fracture surface of the screw

1.8 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。由表5可知,螺纹牙表面的主要元素成分为锌、氧、铬等。

2 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。

表5 螺钉表面的EDS分析结果(质量分数)
Tab.5 EDS analysis results of the screw surface(mass fraction) %

图7 EDS分析位置
Fig.7 EDS analysis positions

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[5]

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。

3 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。