浅谈水轮机顶盖紧固螺栓断裂后螺栓强度分析

刘杉

摘要：对水轮机顶盖紧固螺栓断裂后的螺栓强度分析，能够在一定程度上保护电站的安全运行。本文简要的分析了水轮机顶盖紧固螺栓的设计要求，并且对螺栓的检验方式进行了分析，探究了一些断裂原因，并且分析了在螺栓不同的断裂数量和断裂位置时，对剩余螺栓的强度产生的应力影响，以螺栓断裂数量在1根、2根、4根、8根以及螺栓在相邻位置断裂、90度角位置断裂以及180度角位置断裂等情况进行了分析。

关键词：水轮机;顶盖紧固螺栓;断裂;螺栓强度

一、水轮机顶盖紧固螺栓的设计要求

顶盖紧固螺栓在工作时应当具备一定强度的预紧力，预紧力不仅可以避免顶盖紧固螺栓在遇到较强工作载荷时发生位移，同时可以有效的提升了螺栓工件的疲劳强度。当螺栓连接之后，会产生预紧力，当螺栓受到工作载荷之后，它的预紧力会产生相应的变化，螺栓受到的总拉力并不能按照预紧力与工作拉力之和计算，应当按照以残余预紧力和工作拉力相加的结果为准。也就是说，预紧力的安全系数应当为螺栓总载荷与螺栓的设计载荷相除的结果为准。一般当水轮机的顶盖紧固螺栓发生断裂是由于顶盖螺栓超过了其疲劳强度，在发生断裂前就已经产生了较为明显的疲劳裂纹。因此，顶盖紧固螺栓必须要预紧，使螺栓具有一定数值的残余预紧力，螺栓的预紧力越高，那么螺栓的使用效果越好。预紧力的提升会使螺栓的总载荷数值升高，增加螺栓的直径会让螺栓的总应力减小，因此，在水轮机顶盖紧固螺栓数目一定的情况下，增加螺栓的直径，可以让螺栓疲劳几圈安全系数升高，也会让螺栓的疲劳强度安全数值提升。

二、水轮机顶盖紧固螺栓的检验分析

一般来说，在顶盖紧固螺栓发生断裂前，其自身内部结构应该已经产生了不同程度的疲劳裂纹，当出现疲劳裂纹之后，紧固螺栓所受到的力大部分都会集中到裂纹处，当螺栓再受到外来的载荷应力时会使裂纹继续扩展延伸，最终导致了螺栓断裂。同时，在符合螺栓预紧情况下时，螺栓的直径过小，会造成螺栓实际受到的疲劳强度值大于设计安全数值，这样会使螺栓的疲劳强度降低，也会使螺栓内部产生了疲劳裂纹，最终导致螺栓断裂。

1、宏观检验

在螺栓发生断裂时，应当先进行初步的宏观检验，对螺栓的表面完整度、光滑程度进行初步检查，发现无明显的外傷缺陷，也没有发现毛刺、锈蚀点的出现。当螺栓发生断裂时，会在螺栓断裂处产生三个区域，疲劳源区、疲劳延伸区和瞬时断裂区三个部分。例如对某一个断裂螺栓进行分析时，发现该螺栓断裂面中心部分有明显的放射性条纹区域，并且条纹向螺栓外表面进行延伸，逆向指向裂纹产生区域，疲劳延伸区的面积较大，瞬时断裂区的面积较小，判断该断裂螺栓分成疲劳延伸区以及瞬间断裂区两个区域。

2、化学成分分析

对断裂螺栓的化学成分进行分析时发现，螺栓结构中的化学成分中的碳元素、硅元素、锰元素、硫元素以及磷元素等化学成分的质量分数进行检测，发现各项数值符合合金结构钢对各个元素含量的要求，判断螺栓的断裂并不是由于化学成分不合格导致的。

3、金相检验

在螺栓的断裂面处，以螺栓的纵向面取金相检验的试样，通过对试样处理之后发现螺栓在显微镜下以网状结构存在，同时块状铁素体、珠光体具有较为明显的魏氏组织。当对未发生断裂的螺栓进行金相检验时发现，其结构内部也存在较为明显的魏氏组织，二者均与其调质状态不符合。

4、硬度测试

对顶盖紧固螺栓未发生断裂的螺栓进行硬度测试时，发现一部分螺栓的齿根芯部的纵向维氏硬度符合金属材料的标准要求，则可以判断螺栓发生断裂并不是由于其硬度不足导致的。

三、水轮机顶盖紧固螺栓断裂后的原因分析及螺栓强度计算结果分析

1、螺栓断裂原因分析

在对某一水轮机顶盖紧固螺栓进行分析后发现，在螺栓未发生断裂处的金属材料化学成分、力学性能等条件均符合相应的要求，同时也未发现具有异常断裂组织，判断该部分螺栓的制造材料是符合设计标准的。水轮机顶盖紧固螺栓一般选择使用35钢，这类合金钢都需要经过严格的热处理，一般需要在840到860摄氏度的环境下进行淬火热处理，同时需要用460到520摄氏度的温度进行回火处理，从而提升螺栓的硬度。对断裂螺栓进行分析实验分析可以发现，该实验螺栓在经过热处理后的硬度与结构强度严重不足，排除材料质量问题，分析是由于在进行淬火和回火过程中淬火温度不足、回火温度过高、淬火冷却速度偏低以及淬火组织中具有较为明显的非马氏体等一系列原因导致的。由此可以分析，顶盖紧固螺栓发生断裂是由于对其进行热处理时操作不过关导致的，导致螺栓受到的载荷应力过高，最终发生了脆性断裂。

2、螺栓强度计算结果分析

对全部螺栓在正常工作环境下的螺栓强度进行分析。一般情况下，当螺栓在工作情况下，会受到来自工作载荷以及剩余预紧力两个方面的拉应力，并且这两种应力存在相互叠加的工作方式，当螺栓的工作载荷不断提升时，螺栓的预紧力持续减小，在顶盖与座环之间的夹紧力越来越小，螺栓的抗横向拉应力的能力不足，持续工作或应力变大时，会使金属螺栓超过其材料结构的屈服强度，最终导致了螺栓被破坏。螺栓的使用材料为42CrMo，当对其进行试验时能够发现，在螺栓内部的最大等效应力小于材料屈服强度数值的80%，则该螺栓的强度符合使用要求。水轮机顶盖的受力能够均摊到每个顶盖禁锢螺栓上，螺栓在承受工作载荷及预紧力后，其应力最大值在螺栓中间截面附近。

当部分顶盖紧固螺栓发生断裂后剩余螺栓强度的分析。在螺栓工作过程中，由于在螺栓安装过程中忽略了预紧力等因素，同时其工作环境受力环境较为复杂，导致某些螺栓会发生移动或者断裂的情况发生。当螺栓发生断裂后，水轮机顶盖的剩余螺栓会面临受力不均的情况发生，将一些断裂螺栓应当受到的拉应力施加到剩余螺栓上，这就让剩余螺栓的最大应力值出现了改变。断裂螺栓位置不同，剩余螺栓的螺栓强度也是不同的，本文分别选择了1根螺栓断裂、2根螺栓断裂、4根螺栓断裂以及8根螺栓断裂几种较为常见的断裂布局形式，计算出断裂后剩余螺栓的强度，如图1所示。

结语：根据实际的分析可以发现，当出现了螺栓断裂后，会改变顶盖紧固螺栓剩余螺栓的应力分布，同时根据不同断裂位置的情况，剩余螺栓的最大应力值也是不同的。因此，水轮机的维护检修人员需要及时对顶盖紧固螺栓的使用情况进行检查，排除有位移或裂纹的情况发生，对有断裂隐患的螺栓及时进行更换，确保设备的正常使用。工作人员应当对螺栓在不同断裂数量或者不同断裂位置的情况进行分析，确保电站水轮机的正常运行。

参考文献：

[1] 葛新峰，徐旭，沈明辉，etal.水轮机顶盖部分螺栓断裂后剩余螺栓的强度分析[J].排灌机械工程学报，2019，37（7）：600-605.

[2] 熊欣，李浩亮.蓄能机组顶盖座环联接螺栓强度分析[J].中国设备工程，2018.

[3] 赵强，柴建峰，马传宝，etal.某抽水蓄能电站顶盖螺栓断裂原因分析[J].长江科学院院报，2019，36（01）：138-142.

（作者单位：中国水电顾问集团双柏开发有限公司大湾水电站）