高强度螺栓失效分析与探讨

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1、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

2、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。

3、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

4、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-002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15Pφ14工件底面底面反射波调到基准波高+33dB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1157//缺陷/2195//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二、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

5、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

6、/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。1.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

7、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