锦屏二级水电站#6机定子机座基础板锚栓断裂调查及处理

一、概述

自#6 机组投产下机架垂直振动一直偏大，下机架垂直振动超一级报警 > 60μm。2015 年 10 月 2 日达极值 97μm，但振动趋势稳定，跟踪未发现继续恶化现象。

经分析，垂直振动超标时，#6 机组定子机座垂直振动（报警值 200μm） ）虽未超标，但较其他机组偏高，见I。

表I 2018 年7 月#1～#8 机组定子机座振动月最大值

故2018 年度检修期对#6 机定子机座把合螺栓及基础板锚栓检查。用专用液压拉伸器对定子基础锚杆螺栓拉紧力检查是否有松动。螺栓拉紧力设计值439.9kN（伸长量=1.73mm），对应拉伸器油压86MPa。

二、检查经过

定子机座12 个支腿，每支腿6 颗基础板锚杆，如图1，共72 颗基础板锚栓。

检查范围：#1～#4、#11～#12 支腿的#1～#4 基础板锚杆螺栓；#5 支腿#1、#2 基础板锚栓；#7～#10 支腿#2、#4 基础板锚栓，共计34 颗基础板锚栓。其余38 颗锚栓暂未检查。

靠中心侧              靠墙体侧

图1 定子机座基础板锚杆螺栓分布图

2019 年04 月01 日，对#6 机组#10 支腿检查，发现#4 基础锚栓在拉伸器油压到40MPa 时锚杆被拉出3mm，拉伸器泄压后锚栓不回弹。

后检查#4 支腿#3 基础板锚栓，在拉伸器油压值达到30MPa 时螺杆已被拉出5mm。 #2 支腿#4 锚栓在 50MPa拉出 3mm；#5 支腿#1 锚杆螺栓 20MPa 拉出 4m 板锚栓到 72MPa 被拉出 2mm。#5 支腿#1 基础板锚栓再次检查时，拉出 3mm，加此前 4mm 共拉出 7mm， 器 <20MPa ，拉伸器泄压后锚栓不回弹，此时检查发现螺杆无法旋转。

将螺杆拉出基础混凝土，油压值 <20MPa 。螺杆从下部螺纹退刀槽处断裂，下部约150mm 长螺纹遗留在基础混凝土。

三、 原因分析

1.为查原因，将3 支断裂锚栓，送第三方机构检验。螺栓材质40Cr，材料等级GB/T3098.1-2010 中螺纹M39的性能等级 8.8 级执行。3 支断裂锚杆螺栓编号 5-1，12-1，6-5。进行金相、硬度、力学性能、化学成分和电镜检验分析。

2.宏观检验

三支断裂螺栓断裂都位于螺栓螺纹退刀槽与螺纹连接处。清洗观察：5-1 号螺栓断口周围有对称两个点焊疤痕，断面上放射线收敛于快速冷却部位，为断裂源区。两个点焊疤痕显微镜形貌显示：焊疤上有气孔和熔渣，点焊填料金属堆积较多，说明此处多次点焊。6-5 号和12-1 号螺栓的断口形貌与5-1 号类似。

3．金相分析

通过三只螺栓断裂源区焊疤中间和螺栓中轴用线毁害切取纵向金相试样，金相显微镜观察发现，5-1 号螺栓焊区存在裂纹。

三个断裂源金相试样存在零星分布的约 10um 环状金属夹杂物，未发现集中分布的大型非金属夹杂物，按GB/T10561-2005 标准评级结果见表 2。

表2 螺栓断裂源区金属非金属夹杂物评级结果

三个螺栓断裂源金相样用 2%硝酸酒精腐 号螺栓断裂源组织形貌见图 3左部，分为三个部分：右下为点焊熔 点焊螺栓表面熔化部分的粗大马氏体组织，放大形貌 马氏体组织间存在明显界面和熔渣，螺栓表层的马 螺栓中杆圆柱表面，组织局部放大发现其表面组织为珠光体+ 网状铁素体，说明 5-1 号螺栓表面和心部未经过淬火+回火处理。

图3 组织形貌

4．扫描电镜检验

用扫描电镜观察，5-1 号螺栓断裂源区呈沿晶脆性断口特征，晶粒粗大，对应于点焊时母材螺栓表面的熔化快速冷却产生的马氏体区域，微观电镜形貌见图4 左。图4 中显示6-5 号螺栓断裂源区微观电镜形貌。图4 右显示12-1 号螺栓断裂源区微观电镜形貌，图上部为马氏体区域呈沿晶脆性断口特征，晶粒粗大，下部为焊缝填充金属区断口形貌。

图4 扫描电镜

5．硬度分析

在三支螺栓断裂源区金相试样的马氏体区域和心部，进行维氏硬度试验，见表4。按GB/T3098.1-2010 标准8.8 级性能螺栓要求，送检三支螺栓心部的维氏硬度都低于标准值，不满足标准要求。

表4 螺栓心部布氏硬度试验结果

6.化学成分分析

在三支螺栓未断裂纹端，用红切割切取圆柱形化学分析试样，用直读光谱仪测定化学成分，与GB/G3098.1-2010 标准中 8.8 级性能等级螺栓和 GB/T3077-2015 中 40Cr 钢化学成分比较，三支螺栓化学成分符合要求。

7．力学性能试验

切取三支螺栓的中间圆柱部位，按标准加工成力学拉伸试样和冲击试样，分别进行拉伸和冲击试验，其力学性能和冲击吸收能量结果见表5，与GB/T3098.1-2010 标准中8.8 级性能等级螺栓的力学性能相比较，发现三支螺栓的抗拉强度和屈服强度都低于标准，三支螺栓的力学性能不满足 GB/T3098.1-2010 标准。与GB/T3077-2015 标准中调质状态的 40Cr 冲击吸收能量相比，三支螺栓冲击吸收能量低于标准，不满足GB/T3077-2015 要求。

表5 三支螺栓力学性能和冲击试验结果

8.分析与结论

（1）三支螺杆的断面都位于螺栓螺纹退刀槽与螺纹连接处，断口圆周上都有对称的两点焊疤，断裂源都位于焊时螺栓熔化凝固结晶部位，说明点焊时螺栓熔化区范围大，温度高。

（2）三支螺杆的表面和心部组织都是珠光体+网状铁素体，螺纹尖部为珠光体+网状铁素体的形变组织，都不是40Cr 钢调质的回火索氏体组织，说明三支螺杆都未经过调质处理，施加于基础螺杆上的439.9KN 的拉紧力使螺栓螺纹退刀槽与螺纹连接处Φ36 承受的局部拉应力约为430MPa，超过实测螺栓屈服强度约400MPa。

（3）螺栓材质 40Cr 为淬火钢，点焊时冷却速度极快，必然产生硬脆的马氏体组织，其组织粗大硬脆，导致沿晶裂纹，并扩展致断裂。

五、 解决方案

1．基础板靠定子内侧的锚杆螺栓因受空间位置限制，暂不处理，将螺母打紧。

2．清除套管内水泥渣、热套塑料管等杂物，对可整体拔出的已断锚栓，化学锚杆置换。

3．对松动、断裂或探伤有裂纹缺陷的锚杆螺栓对应基础板加固。

4．机组运行加强定子机座振动监测和趋势分析。