金属杆断裂失效分析

金属杆断裂失效分析摘要:本文通过对金属杆断裂事故的失效分析，找出其断裂的原因，对预防类似金属构件的金属失效做出预测、监督。关键词:金属杆构件疲劳断裂失效1分析案例：某水电站一水轮机组额定水头165m，额定功率582MW，转速142.9r/min，转动部分重量944662kg，最大正常水推力8500KN;接力器为油压机构，通过活塞杆传导操作导叶的力，接力器工作油压6.0111Pa，接力器行程620mm，接力器操作功2136KNM。该接力器已投入运行8年。事故发生时，中控室值班人员发现该机组负荷调整困难，AGC设定值为550MW，但实际输出一直为500MW，经运行人员现场检查发现该水轮机接力器活塞杆断裂。2失效分析2.1活塞杆基本情况活塞杆材质193B7级，摩擦表面镀锌，重量322Kg，直径159.86二一159.92mm，总长2065mm，两端连接螺纹尺寸M125，活塞杆端块材质为碳钢ASTMA27M485-275级，重量595Kg。可以发现该活塞杆直径与端头连接螺纹处的直径差较大，活塞杆端块重量较大且无支撑设计。2.2化学成份分析和力学性能试验对活塞杆用定量光谱仪进行了化学成分分析，分析结果如下:对活塞杆进行了力学性能试验，试验结果如下:里氏硬度测试，试验结果为平均HRC20.7。以上试验结果均符合材质193B7级要求。2.3断口分析活塞杆宏观断口形貌如图3;图4为活塞杆与端头连接螺纹过渡区R角处显微形貌图，可以看见明显的加工刀痕及形成的裂纹源。图3接力器活塞杆断口形貌图4加工刀痕及形成的裂纹源图3断口形貌显示为典型的疲劳断裂。疲劳条纹间距很小，说明活塞杆是在较低的应力下经历了长时间的疲劳损伤过程;图4显示了活塞杆与端头连接螺纹加工过渡区存在着明显的加工刀痕，疲劳源的起始点正是由这些加工刀痕形成的。由于接力器活塞杆工作时处于拉应力条件下，这些微小的裂纹源能够缓慢发展。同时由于活塞杆端块重量较大且无支撑设计，活塞杆还承受弯曲应力，这更加能够加剧裂纹的发展，特别是在构件失效过程的后期。断裂的基本观点：断裂力学认为，材料均有缺陷，有了裂纹不等于破坏，只有到达临界状态时的裂纹(称为临界裂纹)才达到破坏这可以从能量观点加以说明。在一定应力作用下的构件(板或杆)，当它存在裂纹时，裂纹扩展要释放能量，而使其扩展要增加表面积，象液体表面张力一样，表面积增加要积聚能量如果释放的能量可以全部被增加的表面积所吸收，裂纹不会扩展，属于稳定状态当裂纹扩展所释放的能量不能被增加的表面积所全部吸收，那么剩余的能量就会用来去继续扩展裂纹，这就是裂纹扩展的不稳定状态从稳定状态到不稳定状态的转折点称为临界状态，在这个时候，在一定应力作用下的裂纹长度称为临界裂纹长度。断裂力学将应力作用与裂纹间的关系分为三种状态，即:1张开型;2滑移型;3撕裂型。其中张开型最危险，研究得也最成熟疲劳分析中的应用主要也是这种张开型。断裂力学将作用力与裂纹一起综合起来考察结构是否满足强度。这里需要特别说明的是，为了保证断裂韧性测定的可靠，需要在构件应变状态下即裂尖附近塑性变形很小的条件下进行，本文介绍用裂尖达到强度极限作为临界状态。初始裂纹：初始裂纹长度与检测手段有关。一般的定义为：在一定检测手段下，不能被发现的最大裂纹尺寸或者能够被发现的最小裂纹尺寸为初始裂纹。为保证构件能有效使用，初始裂纹应尽量小。3结论及建议（1）对活塞杆进行的理化分析试验数据均在合格范围内，金属材料符合设计要求。但若换新活塞杆时，建议适当提高金属材料等级。（2）该活塞杆的失效属疲劳断裂，疲劳源起始点就是活塞杆端头连接螺纹处直径变化区的过渡圆角加工刀痕处;加工新的活塞杆时应注意对加工时产生的刀痕进行研磨处理。（3）结构设计方面，活塞杆变径处过渡圆角过小造成的应力集中，活塞杆端块重量较大且无支撑设计而对活塞杆产生的弯曲应力，促使了疲劳裂纹的产生并加剧了裂纹的发展。参考文献[1]徐濒.疲劳强度设计.北京:机械工业出版社,1981。[2]陈立周.机械优化设计方法.北京:冶金工业出版,1985。[3]孙学礼.陈良玉.实用机械可靠性设计理论与方法[M].北京:科学出版社,2003。[4]刘相臣.化工装备事故分析与预防[M].北京:化学工业出版社,1999。