油动机作为一种液压装置机构，以其惯性小、驱动力大、动作快、可靠性高等优点广泛应用于汽轮机阀门的调节，继而达到控制机组安全运行的目的。某电厂机组投运时间5年左右，在检修时发现中压调节阀油动机底座的连接螺栓断裂。调节阀安装在汽轮机的每个中压进汽管道上，阀碟通过阀杆和连接件与油动机的活塞连接，油动机通过活塞上下运动控制阀门开合，油动机底座的连接螺栓在阀门开合动作时承受循环冲击载荷。断裂螺栓的材料为35CrMoA钢，规格为M30，性能等级为8.8级，表面镀锌处理，螺栓断裂位置如图1所示。为查明连接螺栓的断裂原因，来自长寿命高温材料国家重点实验室和东方电气集团东方汽轮机有限公司的刘嘉伟、王天剑和刘禹炯三位研究人员对其进行了检验与分析。

图1 螺栓断裂位置示意图

1 、理化检验

1.1宏观分析

在油动机同侧位置，油动机底座连接螺栓断裂两根，取其中一根进行分析。图2为断裂螺栓的宏观形貌，可见断裂发生在较短螺纹端部(插入底座一端)第一齿位置，该处为螺栓应力集中较大的区域。图3为断裂螺栓断口的宏观形貌，可以明显看到断口分为3个区域，裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区。整个断面除了瞬断区外，其余区域较为平滑，断面与螺栓中轴线基本垂直。裂纹源区范围较大，肉眼可见存在多个裂纹源；裂纹扩展区可以看到非常明显的贝纹线，贝纹线较为细密。从断裂螺栓的断口宏观分析可知，螺栓的断裂类型为高周疲劳断裂。

图2 断裂螺栓宏观形貌

图3 断裂螺栓断口的宏观形貌

1.2化学成分分析

从断裂螺栓上截取试样，采用ARL 34600135型直读光谱仪对其进行化学成分分析，可见断裂螺栓的化学成分符合GB/T3077—2015《合金结构钢》中对35CrMoA钢的成分要求。

1.3力学性能试验

为验证螺栓的力学性能是否满足标准要求，从断裂螺栓上取样，依据GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验第1部分：试验方法》进行室温拉伸试验、冲击试验和硬度试验，试验结果见表1，可见断裂螺栓的强度满足设计要求，但硬度偏下限值。

表1 断裂螺栓的力学性能试验结果

1.4金相检验

在螺栓上截取试样，经镶嵌、打磨、抛光后用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液进行浸蚀，采用光学显微镜观察其显微组织形貌，如图4所示。可见该螺栓心部的显微组织存在一定的带状偏析，其显微组织为回火索体+块状铁素体，晶粒度为7级。

图4 断裂螺栓的显微组织形貌

1.5扫描电镜分析

断裂螺栓的断口经无水酒精超声波清洗、干燥后，置于JSM-6490LV型扫描电镜(SEM)下进行观察。断裂螺栓断口的SEM形貌如图5所示，可见断口边缘有多条明显裂纹，从边缘向中心扩展，呈现多源开裂的特点。裂纹扩展区存在疲劳条带，间距较小，呈现出受到高周应力迹象。瞬断区出现解理台阶，呈现出失稳断裂的脆性断裂特征。

图5 断裂螺栓断口的SEM形貌

1.6螺纹根部检查

采用线切割将裂纹源区的其中一处切开，检查裂纹源的起源位置，如图6所示，可见裂纹源位于螺纹的倒角处。

图6 裂纹源位置示意图

检查螺纹倒角的加工情况，在螺纹倒角位置发现微裂纹，如图7所示。

图7 螺纹倒角宏观形貌

2、 分析与讨论

由理化检验结果可知，断裂螺栓的化学成分、力学性能均符合标准要求。35CrMoA钢正常调质处理的显微组织为细密均匀的回火索氏体，而断裂螺栓的显微组织存在较多块状铁素体，这就使得基体硬度偏标准值的下限。断裂螺栓断口的宏观形貌和SEM形貌具备疲劳断口的特征，由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区3部分组成，裂纹扩展区具有典型的贝壳状条纹，确定螺栓为疲劳断裂。裂纹源区截面显示裂纹是从螺纹倒角处起源的，对螺纹倒角表面检查时，发现倒角存在多处微小裂纹缺陷，导致局部应力集中，且第一齿螺牙处是受力最大的位置。螺栓显微组织存在较多的块状铁素体，说明螺栓在淬火过程中加热温度偏低，或者保温时间不足，铁素体向奥氏体转变不充分，这种组织使得螺栓疲劳强度降低。螺栓在阀门开合动作时受到循环的冲击载荷，因此螺栓在倒角应力集中区域开裂，最终疲劳扩展断裂。

3 、结论及建议

该连接螺栓的断裂类型为高周疲劳断裂，属于疲劳引起的脆性断裂。连接螺栓倒角处存在微小裂纹缺陷，使得该处应力集中从而产生多处裂纹源，且螺栓显微组织中块状铁素体的存在降低了螺栓的疲劳强度，最终导致螺栓断裂。

建议提高螺栓表面的加工质量，使用前对螺栓进行抽查检验，注意检查其加工精度；同时改进热处理工艺，防止螺栓产生过多的铁素体。

作者：刘嘉伟1,2，王天剑1,2，刘禹炯1,2

单位：1.长寿命高温材料国家重点实验室；2.东方电气集团东方汽轮机有限公司