330MW机组中压主汽调整汽门油动机与操纵座连接螺栓断裂原因分析

330MW机组中压主汽调整汽门油动机与操纵座连接螺栓断裂原因分析

赵朝晖

中国神华能源股份有限公司国华惠州热电分公司516000

摘要：针对某电厂亚临界330MW机组汽轮机中压主汽门油动机与操纵座连接螺栓断裂事故，通过对螺栓材质的检验及详细分析，得出了螺栓断裂的原因是由于螺栓受力不均，剪应力过大造成的。为此，在机组检修中采取的相对措施进行了成功处理，并为其他机组解决类似的问题提供经验借鉴。

关键词：中压主汽门油动机螺栓断裂

引言

某厂2×330MW机组配置的是东汽的亚临界、中间再热、三缸双排汽、抽汽式凝汽式、CC330/277.2­16.7/2.5/1.5/537/537型汽轮机。机组中压主汽阀与中压调整汽阀为联合调整汽阀结构形式，上端为中压主汽门，下端为中压调整汽门。中压调整汽门操纵座由螺栓把合在中联门阀壳上，油动机则由四颗M30的螺栓把合在操纵座上。油动机为下进油方式，开阀时油动机下部进油推动活塞，克服弹簧力和汽流作用力，油动机连杆带动阀杆向上开启。油动机油缸设计油压为14Mpa，出力最大为40吨。油动机与操纵座连接螺栓材质为35CrMoA，许用应力为685Mpa。中压主汽阀油动机连接螺栓：GB898B-88/螺栓M20×200/35CrMoA，不低于8.8级，数量8只/台份，用于油动机与操纵座连接；螺栓预紧力矩：～610N.m，或在弹簧垫圈压并后螺母再旋转8°～12°，螺栓伸长约为：0.04mm。2010年9月9日运行人员在2号机组巡检中发现中压左侧主汽调阀油动机操纵座与油动机连接的双头螺栓有两支出现断裂。问采取在油动机上端盖螺栓断裂处采用了临时支顶措施，9月11日发现了第三个螺栓的断裂。

1原因分析

通过对2号机组断裂的中压左侧主汽调阀油动机连接螺栓进行宏观检查、金相组织检验、断口的扫描电镜和X射线能谱分析，2号机左侧中压调整汽门断裂三颗螺栓中断裂顺序是1#（整个断口均有明显锈蚀）、3#（断口一半锈蚀，一半光亮）、2#（断口整体较光亮），三个螺栓断口均有明显的疲劳特征。三颗螺栓的化学成分均符合GB/T3077标准对35CrMoA的要求，冲击性能均满足GB/T3098.1标准对8.8级螺栓的要求；但1#螺栓螺纹部位的硬度高于GB/T3098.1标准对8.8级螺栓要求的最大值，而光杆部位的硬度则低于GB/T3098.1标准对8.8级螺栓要求的最小值，整个试样的心部与边缘、两端螺纹处与中间螺杆部位的硬度均有显著差异。其他螺栓的布氏硬度检验结果均在标准要求的范围之内，但同一试样上不同点之间的硬度数值差别较大。

初步判断为螺栓加工制造缺陷以及机加工、热处理工艺过程存在问题，检查发现油动机在制造厂内装配质量也存在问题，四根螺栓拧紧力不均匀，伸长量不足或过量。控制系统反馈调整不当，油动机设计出力远大于弹簧力，但可能存在无限位反馈，导致油动机油压一直达到最大，相应作用力一直处于最大。

2讨论与研究

将一支失效螺栓断裂部分（1#螺栓）及一支新螺栓（2#螺栓）进行了试验分析。试验结果如下：

2.1螺栓形貌

该两支螺栓的外观形貌及取样要求见图1（a）、（b）所示。两支螺栓的螺杆与螺纹均未发生明显变形。

（a）螺栓断裂位置

（b）1#断裂螺栓

2.2理化检验分析

2.2.1化学成分分析

结果见表1，可见该两支螺栓化学成分均符合技术要求，两支螺母材质为45#钢。

表1化学成分试验结果（WT％）

2.2.2力学性能试验

对2#螺栓取样并进行力学性能试验。试验结果（见表2）表明该螺栓强度与硬度实测值远高于8.8性能等级要求，该力学性能试验结果满足12.9级性能等级螺栓要求

表2力学性能试验结果

2.2.3硬度均匀性试验

对1#、2#螺杆及螺母分别进行HV10硬度均匀性试验。试验结果（见图2）可见，硬度分布均匀。

图2硬度均匀性试验

2.2.3.1非金属夹杂物检验

对1#螺栓、螺母及2#螺栓和螺母进行非金属夹杂物检验。检验结果见表3.

表3非金属夹杂物检验结果

2.2.3.2金相组织检验

对1#螺栓、螺母及2#螺栓、螺母进行金相组织检验。检验结果（见表4）可以看出，金相组织未见异常。典型金相组织形貌见图3

表4金相组织检验结果

图3典型金相组织形貌

2.2.4螺纹检验

螺栓断口附近的螺纹进行检验。断裂螺栓部分螺纹根部存在裂纹与微小的凹坑等机械损伤，见图4所示。

图4螺纹纵截面形貌

2.3断口原因分析

2.3.1断口宏观形貌

图4为1#螺栓的断口形貌。其中，图5（a）为原始断口形貌，可以看出该断口上半部分呈深褐色，说明该部位断裂已久，氧化较严重，为陈旧断口；下半部分呈亮灰色，说明该部位为新断口。图5（b）为清除断口表层氧化物后的形貌（裂纹源区锈斑无法彻底清除），从该图可以看出明显的“贝壳”状条纹，属于疲劳断裂特征。从图5（c）断口纵向宏观形貌可知，断裂源位于螺纹根部。

（a）断口宏观形貌（b）清除氧化皮后断口形貌

（c）断口纵向宏观形貌

图5断口宏观形貌

2.3.2断口分析

使用JSM-6490LV型扫描电镜对该断裂螺栓疲劳源区进行微观形貌观察，显微形貌见图6所示。

（a）疲劳源宏观形貌（b）疲劳源微观形貌

（c）瞬断区微观形貌

图6断口的扫描电镜图像

2.4检验结果分析

从理化检验结果可以看出：①两支螺栓化学成分符合标准要求；②两支螺栓金相组织及非金属夹杂物均正常。③断裂螺栓的强度符合8.8性能等级技术要求，其配套螺母硬度也符合技术要求；新螺栓力学性能符合12.9性能等级技术要求。从螺栓断口可知，断口上存在明显的“贝壳”状条纹，属典型的低应力疲劳断裂。从图4中可以看到，断裂螺栓断口附近螺纹根部R角处存在裂纹与微小的凹坑等损伤。由于R角处最容易出现应力集中，螺栓在制造过程中或安装过程中对R角处造成的微小损伤，导致螺纹根部R角成为螺栓疲劳断裂的疲劳源。同时，从现场检查的情况来看，螺栓的断口处位于螺母与螺栓的咬合并紧贴结合面的位置。由于在运行过程中不可避免的存在载荷变化的情况，使得疲劳源在交变载荷的长期作用下逐步扩展从而形成疲劳裂纹，当疲劳区逐步扩大致使所剩截面无法承受外在载荷时，产生了最终断裂。

2.5检验结论

1）螺栓的化学成分，金相组织，力学性能均符合技术要求；

2）螺栓的断裂属疲劳断裂，螺纹根部R角处应力集中是导致螺栓裂纹起源的外在因素；

3）螺纹根部R角附近的微裂纹等损伤是疲劳断裂的裂纹源。

3处理措施

为了防止因中压主汽门油动机与操纵座连接断裂而导致主气门关闭不严从而影响机组超速甚至设备损毁，就事件经过、原因初步分析认真讨论出下一步处理措施：

（1）螺栓备件全部经金属检验合格后方可使用；

（2）2号机左侧中压调整门油动机与操纵座连接四根螺栓全部更换，包括尚未断裂失效的剩余一根螺栓；

（3）找到力矩、螺栓伸长量测量方式和验收标准；

（4）修后中压调整门油动机进行静态调试、校验，控制系统反馈调整；

（5）抽检2号机右侧中压主汽调门油动机与操纵座连接螺栓，发现2根螺栓根部存在裂纹，四根螺栓全部更换。

（6）对高压主汽门、中压主汽门、高压调门油动机连接螺栓进行全部检查。

4结束语

某电厂330MW机组中压主汽调门油动机与操纵座连接螺栓断裂事件，由于发现较为及时，临时处理措施得当，给后续机组停机准备带来了充分的时间，对突发事件的应急响应及时，分析判断正确，且采取停机处理的措施正确，避免了设备故障的扩大或损毁，为机组的安全运行提供了保障。更重要的是为其他同类型的机组遇到类似的问题从原因分析、风险评估、处理的技巧和工艺方面提供了宝贵的经验借鉴。

参考文献：

[1]火力发电厂金属技术监督规程2000.11

[2]《东汽330MW亚临界中间再热凝汽式汽轮机安装说明书》