备用柴油发电机组连杆螺栓断裂故障分析机械制造汽车试验与故障诊断_机械制造-汽车试验与故障诊断.pdf

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1、备用柴油发电机组连杆螺栓断裂故障分析 某电厂备用柴油发电机组在定期试验运行过程中发生了缸体破裂和连杆损 坏事件,对柴油机缸套及部分部件造成了损坏。事件发生后,业主、采购方、制 造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析。从失效部 件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件，分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等 系列故障的根本原因,而螺母结合面的微动磨损是螺母松退的先併口反映。关键词:柴油发电机组;连杆螺栓;微动磨损;螺栓断裂 引言 某电厂备用柴油发电机组执行季度例行满负荷带载试验，在升至满功率运行 过程中,A8缸活塞连杆飞出,击破A8缸曲轴箱盖板,现场发现活塞裙破员,B8缸连杆及两侧平

2、衡重部件有不同程度损伤。拆卸缸体后发现A8缸两根连杆 螺栓断裂。通过分析检测结果和对I员坏样品的观测，确定A8-1和A8-2连杆 螺栓为首先失效部件。本次故障采用了故障树分析(FTA)的方法,在微动磨损 存在的情况下，确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原 因。1事件发生经过及故障处置 2019年某日10点02分，某排柴油机进行季度并网带载试验。10:26,备用柴油发电机A根据试验规程加载至5800kW。10:33,主控系统出现DG A PACKAGE STATUS扌艮警，控制人员立即 电话询问现场情况，现操人员反馈屏幕出现排气温度偏差、油封油压压力 低、模拟量输入模块故障报警

3、。随后，现操人员发现并汇报备用柴油发电 机本体大量喷油。故障发生后业主和采购单位组成了该柴油机故障事件调查和原因分析小组（以下简称调查/分析小组、小组），通过对断裂件和破损件的收集，小组将其交由第三方检测机构进行检测。在取得断裂件及破损件（以下简称样 品）检测结果后,调查小组和制造厂迅速召集相关专家进行原因分析工作，目 的是通过根本原因分析确保该型号机组在复装再试验以及后续使用时不会再发 生同样问题。2首断件判断及检查措施 为了确定出本次柴油机本体破裂事件的首断件，同时收集可供技术判定的证 据，相关单位及第三方检测机构共同确定了样品的取样分析方案，对连杆螺栓、活塞裙、活塞顶螺栓和螺母、连杆螺母

4、进行、金相分析、断口分析以及尺寸等宏 观检查,对曲轴进行了渗透检测和硬度试验,对事故产生金属碎屑、连杆大端和 小端轴瓦进行了能谱分析,对润滑油品进行了水分检测、元素含量分析、运动粘 度、灰分检测的检测。对具有断口部件的宏观检查和金相分析结果显示,断裂特征如下,A8缸两 个连杆螺栓（A8-1和A8-2）的断裂性质为起源于连杆大端盖两侧表面的双向 弯曲疲劳断裂,宏观下可见疲劳弧线,终断区面积较小（见图1）,宏观下存在 塑性变形，断面起伏较大,微观形貌为韧窝;活塞裙：样品已碎裂成多块,部分 断面均为放射状花样,断面较粗糙呈脆性断裂;活塞顶螺栓：4个螺栓均断裂成2 段,断裂部位均存在明显径缩,样品断面

5、大部分已磨损,局部未磨损断面微观形 貌为韧窝,判断活塞顶螺栓的断裂性质为过载断裂1。连杆大端轴瓦变形严重,内表面已无耐磨层及磨合层，但未发现自身缺陷。在对螺母的观察时发现,A8-1 和A8-2的连杆螺母存在不同程度的松退情况，连杆螺母与大端盖的结合面都有损坏事件对柴油机缸套及部分部件造成了损坏事件发生后业主采购方制造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析从失效部件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等系列裂引言某电厂备用柴油发电机组执行季度例行满负荷带载试验在升至满功率运行过程中缸活塞连杆飞出击破缸曲轴箱盖板现场发现活塞裙破缸连杆及两侧平衡重部件

6、有不同程度损伤拆卸缸体后发现缸两根连杆螺栓断裂通过分析检测下确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原因事件发生经过及故障处置年某日点分某排柴油机进行季度并网带载试验备用柴油发电机根据试验规程加载至主控系统出现扌艮警控制人立即电话询问现场情况现操人变黑磨损痕迹,属于微动磨损。图1 A8-1断口宏观形态 据里发现仅双向弯曲疲劳断裂的A8-1和A8-2连杆螺栓与时间过程相关，其余所取样品的断口均为一次性快速断裂,且A&和A&2连杆螺母存在不 同程度的松退情况。据此初步判断连杆螺栓为首先断裂部件,其断裂之后导致了 其他部件的损坏。对于曲轴、缸套、连杆大/小端轴瓦等有缺陷的物项,调查团队也

7、进行了现 场勘验或检测,为进一步的事件原因分析提供技术上的证据,具体分析可见事件 原因分析和技术分析。3事件原因分析和技术判断 3.1故瞳树分析 专家组和原因分析小组一致同意并使用故障树（FTA）分析故障发生的原因。故障树分析（FTA）是一种从事先定义的事件开始，利用已有证据,层层分析并 确定事件根本原因的分析方法,常用于分析复杂事件和判断系统故障。本次事件损坏事件对柴油机缸套及部分部件造成了损坏事件发生后业主采购方制造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析从失效部件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等系列裂引言某电厂备用柴油发电机组执行季度例

8、行满负荷带载试验在升至满功率运行过程中缸活塞连杆飞出击破缸曲轴箱盖板现场发现活塞裙破缸连杆及两侧平衡重部件有不同程度损伤拆卸缸体后发现缸两根连杆螺栓断裂通过分析检测下确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原因事件发生经过及故障处置年某日点分某排柴油机进行季度并网带载试验备用柴油发电机根据试验规程加载至主控系统出现扌艮警控制人立即电话询问现场情况现操人丄水分.版 2 HWitff 住昨 X5ftX,NWiWRa (i)港番失 fiaaKwafiuwiRH 6 2眄週入曲杆大瓦号&於坏(2)违杆大“繪砂发生NSMH 故障树如图2所示。3.1.1运行工况原因的可能性 由于柴油机是并网带

9、载运行，故障发生前报警序列没有超速相关报警，且在 试验过程中也未有保护动作启动,因此在系统保护正常的情况下何以判断系统 没有超速及功率超负荷的可能。从事件发生前的报警序列显示屏中也没有证据表 明启动过程中失去预热和预润滑。3.1.2连杆大、小端轴瓦原因可能性 通过查看了连杆大、小端軸瓦的外观及磨损状况,没有发现烧损和发黑变色 情况存在，即未发现大端/小端轴瓦有烧瓦现象,第三方的失效分析的试验结果 也证明轴瓦不存在材料缺陷、组织缺陷的问题。而对于功率过载超出轴瓦设计极限的问题,由于柴油机是并网带载运行,并 且判断功率过负载、运行超速的情况是不存在的，所以可以排除此种情况的出现。至于轴瓦局部严重磨

10、损和损坏可能是由于异物进入导致的情况何见异物原因分 析章节。3.1.3活塞原因的可能性 ujiHhWta n(2)诚行1331 1.2矢去测山讯|瀟 1)im&c 6.3柿臼入邊屮删 Bifiwre 62遙申阀松电 图2故障树分析图(1)曲纹 6.2 W 竺否空 MRJWttl(1)曲人 离去刃剧丽却(2)(2)损坏事件对柴油机缸套及部分部件造成了损坏事件发生后业主采购方制造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析从失效部件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等系列裂引言某电厂备用柴油发电机组执行季度例行满负荷带载试验在升至满功率运行过程中缸活塞连

11、杆飞出击破缸曲轴箱盖板现场发现活塞裙破缸连杆及两侧平衡重部件有不同程度损伤拆卸缸体后发现缸两根连杆螺栓断裂通过分析检测下确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原因事件发生经过及故障处置年某日点分某排柴油机进行季度并网带载试验备用柴油发电机根据试验规程加载至主控系统出现扌艮警控制人立即电话询问现场情况现操人据第三方的检测结果，活塞顶螺栓的断裂性质为过载断裂，活塞顶螺栓材质 的强度检测表明其材质性能符合要求,可排除活塞顶螺栓强度不达标造成的可能 性。而且,故障后现场检测发现活塞并未抱死,证明缸套内部面润滑情况正常。进一步分析,缸套内壁的网纹都是清晰可见的,只在某个方向上有磨损痕迹,是

12、 本次螺栓断裂事件造成的结果，也并非异常磨损使活塞卡涩造成故障的发生。而 柴油机的制造、调试过程以及事件发生后的检查结果表明,活塞可以正常移动,也可排除活塞与缸套的配合间隙过小。同炉样棒转化硬度值与螺母硬度分布 360 图3热处理后螺母的硬度分布 3.1.4油品质量的可能性 在不考虑异物造成油品质量问题的情况下,通过第三方检测事故后润滑油、另一排在用油和新润滑油的性能,发现A列油品除了水分,没有发现其他的不 符合问题存在，水分检测结果高是因为事故过程中滑油受到缸套破裂后水套水的 污染。检测同机的另一排路滑油的样品，其水分的数值是符合企业技术要求的。3.1.5异物原因可能性 故障发生后,调查小组

13、现场收集带走了两处位于滑油自净式滤器滤网、”滑油离心式滤器滤芯上的金属碎屑。后期,第三方检测机构使用能谱仪对异 物进行成分分析,分析结果表明两处滤芯、滤网处的样品与活塞裙、轴瓦的成分 相近,未发现来350 -媒母（实测值）样梯硬度（转化值）一一婢母（平均偵）min max 300 290 硬度(布氏 MHBB Ml 损坏事件对柴油机缸套及部分部件造成了损坏事件发生后业主采购方制造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析从失效部件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等系列裂引言某电厂备用柴油发电机组执行季度例行满负荷带载试验在升至满功率运行过程中缸活

14、塞连杆飞出击破缸曲轴箱盖板现场发现活塞裙破缸连杆及两侧平衡重部件有不同程度损伤拆卸缸体后发现缸两根连杆螺栓断裂通过分析检测下确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原因事件发生经过及故障处置年某日点分某排柴油机进行季度并网带载试验备用柴油发电机根据试验规程加载至主控系统出现扌艮警控制人立即电话询问现场情况现操人自机体以外的异物存在，判断以上碎片都是次生造成的。3.1.6连杆、连杆螺栓和连杆螺母原因可能性 连杆、螺栓存在问题的可能性。通过连杆螺栓样品的实验数据与原始设计要求相符合的结论,排除了连杆螺 栓性能不达标的原因。依据制造单位提供的原材料采购技术要求中冶炼氢含量应 小于等于4p

15、pm的要求,以及电镜扫描照片中未发现氢致裂纹的情况综合判断,小组排除了氢致裂纹原因的存在。对连杆螺栓完工资料中磁粉检测(MT)和热 处理处置记录的检查,小组也排除了表面有缺陷、热处理不合格的情况。连杆的塑性变形的因素情况则是采用了对螺母螺牙的外观检测来进行推断。第三方通过对实物和电镜扫描照片的观察后确认，事件螺母内侧的螺牙未见变 形,在螺母塑性变形可以忽略不计的情况下,排除连杆塑形变形的可能性。连杆螺母松退问题的可能性。关于连杆螺母是否存在紧固力矩不足的情况，则应依据最后一次利用专用液 压工具拧紧连杆大端盖的结果来推测判断。在有制造厂单方面装配检验己录签字 确认的情况下，可以在一定程度上认为连

16、杆端盖装配后的连杆螺栓及螺母的紧固 力矩是合格的。除此之外，调查和原因分析小组重点关注了螺母材料的强度性能的因素。经 由第三方检测机构测量，断裂2根螺栓的紧固螺母在各缸中的硬度是最低的，且 接近合格范围下限值,很有可能是螺母松退的重要原因。据了解,制造厂是在参 考黑色金属硬度及强度换算值(GB/T 1172-1999)之后,将螺母抗拉强度 范围转换成硬度要求验收的。在此过程中，制造厂设计方面并没有提出明确的硬 度验收要求,而是将”损坏事件对柴油机缸套及部分部件造成了损坏事件发生后业主采购方制造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析从失效部件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件

17、分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等系列裂引言某电厂备用柴油发电机组执行季度例行满负荷带载试验在升至满功率运行过程中缸活塞连杆飞出击破缸曲轴箱盖板现场发现活塞裙破缸连杆及两侧平衡重部件有不同程度损伤拆卸缸体后发现缸两根连杆螺栓断裂通过分析检测下确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原因事件发生经过及故障处置年某日点分某排柴油机进行季度并网带载试验备用柴油发电机根据试验规程加载至主控系统出现扌艮警控制人立即电话询问现场情况现操人对每个螺母进行硬度测试”、298350HB作为热处 理工艺要求。对于技术转让方图纸上连杆螺母的抗拉强度要求(9801180MPa),没有对原批次螺母的拉伸测试来

18、证明它达到该要求,且制造厂未找到当时经同炉 热处理的样棒试验数据。查阅新换蝮母的热处理后检验记录,同炉热处理样棒的抗拉强度测试结果(1084MPa)是合格的，并且居中在抗拉强度要求(980 1180MPa)范围且 靠近平均值。但从样棒实际抗拉强度转换得到的硬度值与螺母硬度平均值是有一 定偏差的，如图3所示，代表用硬度值代替抗拉强度值验收是值得商榷的。在硬 度值的转化(ISO 18265:2013)硬度转化标准中明确表示，硬度转化抗拉 强度的转换时可靠性最差的转换(the least reliable form of conversion)1 o连杆螺母强度(硬度)偏低，很有可能是螺母松退的原因

19、，分析小组认为 不能排除螺母强度(硬度)低的原因。3.2螺母松退的分析 微动(Fretting)是指的是两个接触表面发生极小幅度的相对运动。它通常 存在于一个振动工况(如发动机运转、气体流动、热循环应力、疲劳载荷、电磁 黑动、传动等)下的近似紧固的机械配合件之中,般位移幅度为微米量级 2,而磨损往往留下很具体痕迹(微振斑、凹坑、堆昙等)。微动磨损普遍存 在于各种机械装备、大型工程领域的紧密配合的部位，例如：轴承类零件、各种 螺栓、钏钉、销的连接和搭接处2。本次事件调查过程中发现A8缸两个连杆螺母(A8-1.A8-2)在结合面一 侧可见明显磨损痕迹，局部变色发黑，从金相检验结果得知两个螺母存在过

20、热相 变及变形组损坏事件对柴油机缸套及部分部件造成了损坏事件发生后业主采购方制造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析从失效部件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等系列裂引言某电厂备用柴油发电机组执行季度例行满负荷带载试验在升至满功率运行过程中缸活塞连杆飞出击破缸曲轴箱盖板现场发现活塞裙破缸连杆及两侧平衡重部件有不同程度损伤拆卸缸体后发现缸两根连杆螺栓断裂通过分析检测下确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原因事件发生经过及故障处置年某日点分某排柴油机进行季度并网带载试验备用柴油发电机根据试验规程加载至主控系统出现扌艮警控制人立即

21、电话询问现场情况现操人织,电镜下存在凹坑、折養等磨损变形痕迹,与B8缸蝮母(B8-2)对比明显,是典型的微动磨损痕迹,详见第三方检测的图4所示。产生微动磨损的因素很多，涉及的影响因素复杂3,材料间的匹配特性、装配的精度、材料强度都可能导致微动磨损的存在。已知连杆螺栓、螺母在工作 过程中每分钟要承受上千次往复惯性力和连杆旋转的离心交变应力，且气缸压缩 和爆发的频率很高，冲击力极大,在材料匹配特性、材料的强度不够或装配精度 不高因素单独或共同存在的情况下 运动部件存在的振动工况使得A8-1和A&2 连杆螺母与连杆结合面间存在了微动磨损具体反映在了连杆大端盖子与连杆产 生某个方向上反复的横向位移，是

22、螺母松退的前期现象和反映，而松退将直接导 致2个螺栓产生双向弯曲疲劳,进而断裂并造成一系列次生事件的发生。4结论与建議 柴油发电机组是电厂中起辅助供电功能的重要设备。在各类柴油机运动部件 失效故障里,连杆螺栓断裂是柴油机运动部件的典型故障,属于严重事故。另一 方面,由于螺母松退和微动磨损的隐蔽性特点，在宏观上不易被发现,而它带来 的失效问题往往又十分严重。因此,为了防止类似事件产生,制造厂和采购单位 要重视紧固配对零件材料选择的合适性、性能的匹配性、检验工艺的可靠性。在 制造过程要注意零件的接触面精度,在装配和后续安装运维阶段,更注意装配工 艺和装配后的检测严格确保装配方法准确、紧固力矩符合要

23、求。通过对上 述方法和因素的防范，将尽可能地降低微动磨损对螺母造成松退的影响，防范相 关事故的发生。损坏事件对柴油机缸套及部分部件造成了损坏事件发生后业主采购方制造方一起对柴油发电机组事故现象和损坏部件进行了排查和失效分析从失效部件的观测中得出连杆螺栓是首先断裂部件分析得出螺母松退是连杆螺栓断裂等系列裂引言某电厂备用柴油发电机组执行季度例行满负荷带载试验在升至满功率运行过程中缸活塞连杆飞出击破缸曲轴箱盖板现场发现活塞裙破缸连杆及两侧平衡重部件有不同程度损伤拆卸缸体后发现缸两根连杆螺栓断裂通过分析检测下确定了连杆螺母的松退是连杆螺栓断裂和一系列故障发生的原因事件发生经过及故障处置年某日点分某排柴油机进行季度并网带载试验备用柴油发电机根据试验规程加载至主控系统出现扌艮警控制人立即电话询问现场情况现操人