某电站3B循环水泵连接法兰和螺栓断裂原因_刘永成.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 1 6某电站3 B循环水泵连接法兰和螺栓断裂原因刘永成(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院,郑州 4 5 0 0 0 0)摘 要:某电站3 B循环水泵连接法兰及螺栓发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、显微组织观察、力学性能测试、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了法兰及螺栓断裂的原因。结果表明:在海水介质环境中,法兰结合面与螺帽压紧面发生缝隙腐蚀,引起螺栓松动,在螺纹根部形成疲劳裂纹,从而发生疲劳断裂,法兰承受的应力大幅增加,在导流体自重、叶轮转动及流体扰动等共同作用下,最终导致法兰发生过载断裂。关键词:法兰;螺栓;疲劳断裂;缝隙腐蚀中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 1 0 0-0 4F r a c t u r e C a u s e o f C o n n e c t i n g F l a n g e a n d B o l t s o f a 3 B C i r c u l a t i n g W a t e r P u m p i n a P o w e r S t a t i o nL I U Y o n g c h e n g(H u a z h o n g E l e c t r i c P o w e r T e s t R e s e a r c h I n s t i t u t e,C h i n a D a t a n g G r o u p S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o n n e c t i n g f l a n g e a n d b o l t s o f a 3 B c i r c u l a t i n g w a t e r p u m p i n a p o w e r s t a t i o n w e r e f r a c t u r e d.B y m e a n s o f m a c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n,c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n a l y s i s,m i c r o s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n,m e c h a n i c a l p r o p e r t y t e s t,s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y a n d e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o m e t e r a n a l y s i s,t h e r e a s o n s f o r t h e f r a c t u r e o f f l a n g e a n d b o l t s w e r e a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t i n t h e s e a w a t e r m e d i u m e n v i r o n m e n t,c r e v i c e c o r r o s i o n o c c u r r e d b e t w e e n t h e f l a n g e j o i n t s u r f a c e a n d t h e n u t p r e s s i n g s u r f a c e,c a u s i n g t h e b o l t s l o o s e n a n d f a t i g u e c r a c k s n u c l e a t e d a t t h e r o o t o f s c r e w t h r e a d,r e s u l t i n g i n f a t i g u e f r a c t u r e a n d t h e s t r e s s o n t h e f l a n g e w a s g r e a t l y i n c r e a s e d.U n d e r t h e c o m b i n e d a c t i o n o f s e l f-w e i g h t o f t h e f l u i d,t h e r o t a t i o n o f i m p e l l e r a n d f l u i d d i s t u r b a n c e,t h e f l a n g e w a s e v e n t u a l l y b e o v e r l o a d e d a n d f r a c t u r e d.K e y w o r d s:f l a n g e;b o l t;f a t i g u e f r a c t u r e;c r e v i c e c o r r o s i o n 2 0 2 0年9月,某电站3 B循环水泵的振动烈度由1.2 mm/s突然升至5.5 mm/s,电流由3 1 0 A升高至3 9 8 A,并在运行1 5 m i n后停运。3 B循环水泵解体后,发现循环泵内接管导水板上的法兰发生断裂,与法兰连接的螺栓有1 3根(共1 6根)发生断裂,螺帽均完好。3 B循环水泵为全双相钢结构立式混流泵,于2 0 1 6年3月完成改造后投入运行。水泵型号为2 2 0 0 V Z NM。断裂法兰与螺栓材料均为2 2 0 5双相不锈钢。为查明法兰断裂的原因,以消除机组金属设备在安装和运行过程中产生的缺陷和安全隐患,本工收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 8通信作者:刘永成(1 9 6 7-),工程师,大专,主要从事电厂金属 监 督 检 验、金 属 材 料 失 效 分 析 工 作,1 8 5 3 7 1 1 6 0 9 8,1 3 6 6 3 7 1 3 6 8 61 6 3.c o m作进行了一系列的理化检验与分析,并对类似问题提出合理的建议及预防措施。1 理化检验与分析1.1 宏观观察如图1所示:内接管法兰结合面多处存在片状腐蚀坑,最大尺寸为1 3 0 mm2 0 mm;多处内接管法兰与螺帽压紧面的缝隙部位发生腐蚀,最大的腐蚀坑尺寸为3 0 mm1 0 mm,螺帽压紧面缝隙部位的抹胶发生脱落;叶片表面有较深的腐蚀坑,最大深度约为2 0 mm。内接管法兰螺栓共断裂1 3根,观察1 3根螺栓的断口特征发现:5根螺栓的断口呈疲劳断裂的特征,断口平齐,且存在明显疲劳辉纹,见图2(a);8根螺栓的断口为过载撕裂,断口不规则,存在多处裂纹源,见图2(b);法兰断口呈脆性断裂特征,有多个裂001第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2(a)法兰结合面(b)法兰与螺帽间隙(c)叶片 图1 法兰结合面、法兰与螺帽间隙及叶片的腐蚀宏观形貌F i g.1 C o r r o s i o n m a c r o-m o r p h o l o g y o f f l a n g e j o i n t s u r f a c e(a),g a p b e t w e e n f l a n g e a n d n u t(b)a n d b l a d e(c)(a)螺栓疲劳断口(b)螺栓过载撕裂断口(c)法兰过载撕裂断口图2 螺栓和法兰断口的宏观形貌F i g.2 M a c r o-m o r p h o l o g y o f b o l t a n d f l a n g e f r a c t u r e:(a)f a t i g u e f r a c t u r e o f b o l t;(b)o v e r l o a d t e a r f r a c t u r e o f b o l t;(c)o v e r l o a d t e a r f r a c t u r e o f f l a n g e纹源,为过载撕裂断口,见图2(c)。1.2 光谱检验采用X L 3 t 9 8 0型手持式合金分析仪对断裂的法兰和螺栓进行光谱检验,其主要合金成分见表1。由表1可知,法兰及螺栓的主要合金成分均在标准值范围内,满足A S ME S A-1 8 2-2 0 0 1S p e c i f i c a-t i o n f o r F o r g e d o r R o l l e d A l l o y-s t e e l P i p e F l a n g e s,F o r g e d F i t t i n g s,a n d V a l v e s a n d P a r t s f o r H i g h-T e m p e r a t u r e S e r v i c e 标准对2 2 0 5双相不锈钢的技术要求。表1 法兰和螺栓的主要合金成分T a b.1 M a i n a l l o y c o m p o s i t i o n o f f l a n g e a n d b o l t%项目wM nwC rwN iwM o法兰实测值1.1 02 2.1 35.4 33.1 1螺栓实测值1.1 32 2.2 15.3 73.2 2标值准2.02 2.02 3.04.56.53.03.51.3 显微组织观察依据相关标准制备断裂法兰和螺栓的金相试样,并用4%(体积分数)硝酸酒精溶液将试样腐蚀51 0 s。采用Z L D 5 0 0-5 J T 型倒置金相显微镜对试样进行显微组织观察。由图3可见,法兰及螺栓均为铁素体+奥氏体组织,组织中未见明显的夹杂物及异常带状组织。1.4 力学性能测试采用UTM 5 3 0 5 HA型电子万能试验机对断裂法兰和螺栓进行室温拉伸性能测试。依据G B/T 2 2 8.1-2 0 1 0 金属材料拉伸试验 第1部分:室温试验方法 标准加工拉伸试样,每组试验共设置3个平行试样,拉伸速率为5 mm/m i n。受试样尺寸限制,仅对螺栓进行了硬度测试。采用 3 2 0 H B S-3 0 0 0型数显布氏硬度计测量螺栓的硬度,试验压力为7 5 0 0 N,试验压头直径为5 mm,保荷时间为1 5 s。由表2可见:螺栓的硬度满足A S M E S A-2 4 0-2 0 1 6S p e c i f i c a t i o n f o r C h r o m i u m a n d C h r o m i u m-N i c k e l S t a i n l e s s S t e e l P l a t e,S h e e t,a n d S t r i p f o r P r e s-s u r e V e s s e l s a n d f o r G e n e r a l A p p l i c a t i o n s 标准要求;法兰的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及硬度均满足A S M E S A-1 8 2-2 0 0 1标准要求;标准中对于2 2 0 5双相不锈钢冲击功未有规定,但是从断裂法兰冲击功的实测值来看,可以满足服役条件要求。101刘永成:某电站3 B循环水泵连接法兰和螺栓断裂原因(a)法兰(b)螺栓图3 断裂法兰和螺栓的显