使用的锚定螺栓断裂分析和疲劳强度计算在核电站的循环水泵

文摘

循环水泵是核电站的冷却系统的关键设备。几个螺栓坏了在进口的相同类型的泵。螺栓是由特殊材料海水腐蚀保护。有明显的车刀是线程的根源,认为是裂纹的源头。螺栓的疲劳裂纹扩展的深度,造成明显的断裂表面的辐射纹,这是一个典型的疲劳断裂。明显的谨慎的特点被发现在破碎的螺栓。骨折和能谱分析表明,螺栓没有腐蚀。泵的轴向振动测量。静态拉伸应力沿螺栓轴由预加载引起的,轴向拉应力引起的轴向振动,分别和扭转应力计算。根据疲劳强度理论,综合的螺栓疲劳强度安全系数1.37谨慎设计扭矩的1.2倍时,这是小于许用安全系数1.5 - -1.8,所以螺栓不安全,这也进一步验证了断裂分析的结论。 The reason for the low safety factor was caused by the overtightening force. The improvement method was to control the bolt preload or increasing the bolt diameter.

1。介绍

一个冷却水泵在核电站是一个非常重要的设备。在大修期间,发现固定螺栓的预埋件四CR1QS1泵被打破。泵是单级、垂直bottom-suction混凝土蜗壳离心泵。混凝土泵固定在预埋件与8 内六角螺栓通过口腔环,如图1。保护帽的目的是保护螺栓的侵蚀。泵的工作介质是海水。

常见的螺栓断裂失效模式是疲劳断裂,应力腐蚀开裂和过载断裂。由于大型螺栓螺纹的应力集中,很容易疲劳源形成的根,和疲劳断裂的可能性很高。螺栓断裂冈萨雷斯等人研究了发生在第二个螺纹,这是由于氢脆(1]。研究的螺栓Shafiei和Kazempour-Liaisi M23C6碳化物,疲劳裂纹的源头。沿着晶界裂纹传播,最后,发生疲劳断裂2]。李等人发现,表面脱碳的螺栓螺纹的螺栓和应力集中的脖子降低疲劳强度(3]。吴等人研究了电缆的腐蚀断裂机理螺栓(4]。骨折一般疲劳断裂特征。有腐蚀疲劳裂纹源和径向疲劳裂纹扩展的痕迹。Hydrogen-assisted应力腐蚀开裂是电缆螺栓失效的主要断裂机理。bolt-sphere接头的疲劳裂纹源点蚀引起的腐蚀(5]。温家宝et al。(6]研究20 mntib钢高强度螺栓的断裂。Microdefects附近发现了底部的线程。相当大的压力和腐蚀加速裂纹扩展的螺栓。锚杆的工作能力下降25 - 50%在工作条件下的岩石和地下水腐蚀(7]。

人们普遍认为,螺栓的疲劳强度是只与振幅有关。疲劳强度只研究了螺栓拉伸应力的应力幅值(7- - - - - -10]。例如,螺栓疲劳强度条件是容许应力振幅等于90 MPa (8),疲劳曲线是研究曲线(9]。然而,在实践中,许多例子表明,螺栓的失败与平均压力(即。螺栓预加载)(11,12]。一个螺栓断裂的原因是安全系数不够由于过度预加载(11,12]。静强度的安全系数是通过预压,安全系数的变量应力通过应变,古德曼和修改安全系数的理论(13]。

摘要断裂分析,机械性能分析和能谱分析断裂螺栓进行。同时,螺栓的疲劳强度计算,找到失败的原因,并提出了改进建议。最后,提出螺栓疲劳强度的计算方法。

2。螺栓的断裂力学分析

2.1。断口分析

在图所示的螺栓在服务2,1和2号的螺栓,3 - 6号断裂螺栓的头部,和7 - 11号的其余部分破碎的部分破碎的螺栓。与备件相比,他们的表面是一样的服务螺栓,表明没有腐蚀。

3号螺栓断裂的人物2是代表。把它作为一个例子来说明螺栓的断裂形式。数据3(一个)和3 (b)整体形态和当地3号螺栓的形态,分别。有明显的辐射线边缘的线程的牙齿,这是断裂源点箭头所示。断裂源延伸到核心,然后螺栓断裂时裂纹达到中间。这是瞬时断裂区地区,部分是粗糙和不平衡。瞬时断裂区占地面积相对较大,表明有大量残余预紧力时,螺栓坏了。

3号的螺栓断裂是由体视镜观察,如图4(一)。骨折是不均匀,螺纹牙大约28°,主应力的方向。进一步放大和观察图中的箭头所示4 (b),裂纹的源头位于加工刀痕线程的根源,和有很多微裂隙。

图5(一个)的形态是内六角的3号破碎的螺栓。螺栓头的顶部受损时,样本在现场,如箭头所示。但内六角区域受损在收紧,如图所示。图5 (b)显示完整的螺栓头的形态,用内六角螺钉头的完好无损。比较表明,破碎的螺栓安装时谨慎行为。

图6(一)是整个图用扫描电子显微镜(SEM),由箭头显示了断裂源。图6 (b)的显微图扩张区,它显示了典型的疲劳断裂特征。这表明断裂传播的过程也有交变应力的影响。

图7显示四个完整的macroimages螺丝通过着色检验,并没有发现裂纹表面上。环抱的金相结构和破碎的螺栓,分别如图8(一个)和8 (b),一个奥氏体+铁素体结构。这符合双相钢的特点,没有明显的异常。

2.2。研究螺栓冶金

螺栓是由一种特殊材料海水腐蚀保护。由于小数量,他们生产的转向。化学成分符合ASTM s32760标准,见表1。使用xhb - 3000电子布氏硬度计,螺栓是230 - 240的平均硬度HBW,相当于8.8级(中国国家标准GB3098.1),这也符合ASTM s32760的要求低于310 HBW。

使用一个ONH836氢、氧和氮分析仪、气体的内容元素N、H、O进行了测试,见表2。氮的含量符合标准要求的值,和氢气和氧气的内容也低。此外,螺栓没有晶间应力腐蚀开裂,所以螺栓断裂与瓦斯含量的影响。

由AG100KNG万能试验机,样本螺栓的拉伸性能测试,如表所示3。结果所有满足标准的要求值,和机械性能正常。根据机械设计手册中推荐的经验公式,对称循环疲劳极限和转矩屈服极限估计如下:

2.3。能量分散光谱分析

表4显示了组成断裂表面清洁后的能量分散能谱(EDS)。结果与前面的结论相同2.1,可以看到在图2,断裂螺栓一样光滑的备件,显然是没有腐蚀。

3所示。螺栓疲劳强度的计算

3.1。螺栓应力分析

3.1.1。预紧应力计算

螺栓的应力包括预加载和工作负载。预装有两种:一种是轴向拉应力,另一个是轴的扭转应力。工作负荷作用于螺栓的轴向方向,计算方法是部分所示3.1。2。本部分主要计算拉伸应力和扭转应力由预加载引起的。

应该收紧螺栓安装时;也就是说,它们在预加载(张力)和摩擦转矩。工作时,可能受轴向拉力的可变压力。本文使用有限元方法计算拉伸应力和扭转应力通过ANSYS Workbench 15.0软件。

泵和基础环由8螺栓连接。有限元模型需要1螺栓和八分之一的基础包括环和混凝土,如图9。根据设备维护手册,安装螺栓的扭矩是40.5 Nm,转矩系数是0.258,计算预加载13081 N。

螺栓的轴向拉应力和扭转应力数据所示10和11,分别。轴向拉应力434.05 MPa,扭转应力在设计转矩为59.29 MPa。如果谨慎扭矩达到设计值的1.2倍时,轴向拉伸应力520.86 MPa,扭转应力为71.41 MPa。破碎的内六角螺栓头已经严重受损,与实际扭矩远远大于设计值的1.2倍。

3.1.2。螺栓的计算工作应力

当泵运行时,叶轮将有一个工作负载,作用于螺栓轴方向。压力是一个对称循环应变产生的轴向振动时,泵正在运行。轴向载荷是通过实际测量获得。速度传感器被安装在轴承,激发光谱的负载是速度和频谱之间的关系,如图12。

工作台随机振动分析模块是用来计算振动疲劳的应激反应。激励是加载在混凝土基础上。有限元等效应力关系图如图13,最大等效应力为7.3 MPa。

3.2。螺栓强度计算

螺栓的轴向力与轴,所以疲劳强度的安全系数的公式如下: 在哪里是对称的疲劳极限387 MPa,计算由方程(1)。的工作压力7.3 MPa,计算节吗3.1。2。预紧力引起的轴向应力,有限元计算的部分3.1。1。是应力集中系数, 从机械设计手册,因为它是通过将生产。是大小的因素,并采取1 M12螺栓。是增强系数,取1因为没有增强。压力转换因子,计算如下:

所以,正常压力的安全系数在设计力矩如下:

正常压力1.2倍的安全系数设计力矩如下:

摩擦产生的扭转应力预压期间是静态的压力。

因此,在设计扭矩安全系数如下:

正常压力1.2倍的安全系数设计力矩如下:

在设计转矩综合安全系数如下:

正常压力1.2倍的安全系数设计力矩如下:

根据机械设计手册,容许安全系数为1.5 ~ 1.8。综合安全系数在设计转矩大于许用安全系数较低。然而,当谨慎扭矩达到设计扭矩的1.2倍时,安全系数是小于极限,所以螺栓不安全。综合安全系数低的原因是,轴向拉力的安全系数太低,仅为1.44。有两个因素影响轴向拉力的安全系数。第一部分是工作负荷,另一种是预加载。造成的压力工作负荷为7.3 MPa,这是非常小的。即使的应力集中系数乘以3,21.9 MPa,它仍然非常小,不足以导致失败。然而,520.86 MPa的压力引起的预加载相对较大。因此,这项措施提高安全系数是控制螺栓预加载或增加螺栓直径。

4所示。结论

通过以上分析螺栓断裂、冶金、和力量,可以得出以下结论:(1)有明显的裂纹源的根源线程,有一个明显的疲劳断裂区和一个瞬时断裂区截面。疲劳断裂区是典型的径向和典型的疲劳断裂特征(2)螺栓的安全系数为1.2倍设计转矩是1.37,已低于许用安全系数1.5 - -1.8。因此,螺栓的疲劳强度不足,螺栓断裂是由于疲劳失效时,螺栓是全球危机(3)螺栓的失败不是由于海水腐蚀。破碎的螺栓的表面是明亮的,没有腐蚀的痕迹(4)螺栓断裂的主要原因是太多的预加载。措施提高安全系数是控制螺栓预加载或增加螺栓的直径

数据可用性

所有生成的数据或分析在本研究中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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