电站设备的微动损伤滤篮
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电站设备的微动损伤
电站设备的微动损伤 2011年12月02日 来源： 电站设备中微动是不可避免的现象，它与相当一部分结构损伤事故有着直接的关系。在应力集中、腐蚀发生的部位，微动又是许多电站设备损伤失效的直接原因。微动损伤使得许多电站设备随着运行年数的增加损伤失效事例越来越多，因此，研究和分析电站设备结构中的微动损伤实属必要。如何正确认识和解决微动损伤是解决电站设备高可靠性、长寿期的重要技术基础。 1微动损伤的定义 微动操作是存在于近似“静止”配合的机械零件中的一种损伤方式。其定义为：两相相互接触表面在一定的法向载荷作用下，若表面间存在小幅的相对振动运行（一般认为相对振动幅小于300μm），接触表面上所出现的损伤现象。按损伤模式的不同，微动损伤可分为3种基本形式： （1）微动磨损，这是指由于微动使接触表面间产生细小的磨屑，在空气中磨屑被氧化，这些氧化物被称为“微动斑”、“锈斑”、“粘结斑”等，它们的颜色与微动件材质的颜色有所不同，因而在操作区有无“微动斑”是区分通常磨损与微动磨损的一个重要标志。 （2）微动疲劳，这是指零件在接触损伤区内萌生裂纹，裂纹在变应力作用下扩展而导致的疲劳强度下降或早期断裂。 （3）微动腐蚀，这是指在电解质或其它腐蚀性溶液中，微动与腐蚀联合作用造成的表面操作，腐蚀作用占优势。 在微动损伤的发展过程中，微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀都有可能发生，全它们的损伤速率不同，当某一损伤速率占主导地位时，最终便表现为这一损伤失效模式。随着微动条件的变化，失效模式也可能发生变换。 2微动损伤的机理 微动损伤的机理很复杂，很难用一种观点来概括解释所有现象。纵观已有的研究成果，微动操作是粘着、磨损、氧化和疲劳这4种基本损伤机理的叠加和相互影响造成的，可以归纳为粘着——氧化——脱层的理论。 对于微动损伤初始阶段的机理，比较一致的看法是粘着和氧化。任何构件的表面都是由极薄的表面氧化膜和吸附的污染物或气体覆盖着的，而且其表面总是高低不平的，因此两表面接触时，总是凸起点先接触。实际测定，一般配合的机械零件表面的实际接触面积只有几何表面面积的0.01％～0.1％。对于重载配合件，其接触峰点的表面压力有时可达5000MPa，并可产生极高的瞬间温度。在这种状态下，配合表面的接触点会产生焊接现象，即发生粘着。此时，若有微动存在，粘着点会发生撕裂，并将氧化层刮掉，露出清洁而活泼的金属表面，随之又与周围的气体发生化学反应，产生新的氧化物。这种机械和化学的交替作用造成了材料的磨损和腐蚀。 由于机械磨损和化学腐蚀作用，磨屑不断增多，当产生的磨屑足以覆盖接触表面后，粘着减弱，微动磨损进入稳定阶段。稳定阶段中，磨屑在微动的作用下变得越来越细，并吸收大量机械能，使磨屑本身具有极大的化学活性甚至达到自燃的状态，只要有氧，便可迅速完成氧化过程。这些氧化物颗粒被研磨和热软化而涂抹在接触表面上形成釉质态。釉质氧化物在微动作用下易于产生破碎和分离，这就成为萌生裂纹的核心因素。裂纹一旦萌生并和邻近裂纹相连接，便形成平行于表面的裂纹，当裂纹达到某一临界长度时，裂纹将沿着某些薄弱点向表面剪切方向发展，使材料脱离母体，形成条形薄片，这就是脱层机理的基本要点。 如果摩擦表面和亚表面产生裂纹，金属屑将进入裂纹中并氧化。由于氧化金属屑的体积增加，便形成氧化物的楔子作用，更加速裂纹扩展。当金属表面处在电解质中时，微动过程会使金属表面的氧化膜变薄或破裂，同时，局部表面疲劳和塑性变形均可增加金属表面的化学活性，影响金属表面的电位。实践证明，在一定频率下，腐蚀电流和微动振幅呈线性关系，而在固定振幅下，腐蚀电流和频率也是线性关系。这是因为单位时间产生的腐蚀电流及金属离子进入电解质的数量与底层金属暴露的面积和速率有关，这说明，微动时金属的腐蚀点增加，会加快金属的损耗。 综上所述，不论是微动初期，还是稳定阶段，微动损伤都是机械磨损和化学腐蚀共同作用的结果。所以它比一般损伤的危害性更大。 3微动损伤的特征 3.1结构外观特征 微动时，构件处在高频、小幅的振动环境中，由微动引起的构件的相对运动速度极低，用肉眼很难发现。另外，微动初期磨屑不易逸出，没有征兆可寻，这也增加了微动损伤被发现的难度。所以，微动损伤发现时，一般来说问题都已比较严重。 3.2损伤形貌特征 在微动初期，损伤的表面会产生不规则的突起或小坑。进入稳定阶段后，其表面形貌与微动条件密切相关：振幅较大时，表面会出现与微动方向一致的划痕；振幅很小（小于2μm）时，表面反而非常光滑，但可观察到碾压的痕迹。处于高温环境下的微动使材料塑性变形加重，甚至还会形成很脆的釉质氧化膜，并在外力作用下发生砖砌路面样的裂纹，导致脱层或疲劳裂纹。 3.3力学性质特征 微动会使构件接触表面的材料发生硬化、变脆现象。一些本来韧性很好的金属，在摩擦作用下其表面产生了明显的塑性变形或疲劳裂纹。而原来刚度较强的金属材料会产生脆性材料的力学特征，在没有明显塑性变形的情况下发生脆裂和剥落。 4微动损伤的诊断 解决微动损伤的问题，关键是预防，由于产生微动的原因是振动和交变载荷，因此，查出振源并采取相应的减振、隔振、消振措施是预防或降低微动损伤的基础。对于微动损伤的诊断，主要应根据损伤的特征和形式加以综合分析。 5电站设备中的微动损伤 电站设备多数在流体介质环境下运行，又有引起微动的各种环境条件，因为微动损伤是普遍存在的。由于人们一般只着重于比微动更为显著的振动的改善，微动损伤往往被忽略或被误解为其它因素造成的结果。 电站设备由于其特殊性，微动操作也表现出相应的特征： （1）由于电站设备运行在流体介质的环境下，因此微动操作普遍存在于整个系统设备中，即从锅炉、压力容器到管件、法兰、螺栓等，而且无法克服； （2）由于电站设备多数构件在低应力状态下运行，微动操作随着运行时间的增长会日渐突出，其严重性也会日渐增加； （3）由于在液体介质环境下运行，使得微动腐蚀与微动疲劳也成为影响电站设备最终寿命的微动损伤中的主要形式。 由于诱发微动损伤的因素普遍存在，并体现在几乎整个系统的各个部分，例如：锅炉、压力容器、换热器、主泵、管道部件等都有微动损伤的存在。因此，笔者认为，许多操作事例应从微动损伤角度去分析。 管件、阀门等管路系统件是发生疲劳失效事故数目较多的构件。引起这种失效的原因为：一是微动；二是温度波动（温度场的变化）。从前面的分析可以看出，这些现象可从微动损伤的角度来分析解释。 实际上电站设备有许多问题出乎于设计者的预料之外，如果发展并应用微动损伤理论进行电站设备结构损伤分析，则电站中一些重要的设备损伤状况和寿命或许可以得到更加合理的解释和预估。 6电站设备、结构微动损伤的预防措施 电站系统的特殊性，高温、高压、高流速条件对于微动操作有很强的加速作用；另一方面，高稳定性、高可靠性要求对于修复工作事了困难，而且，一旦发生损伤，可能造成严重的后果。所以，预防应着重于设计前的专题研究及设计过程中，其次在于加工制造和装配调试阶段。在许多电力设备的设计规程上，还没有考虑微动损伤这一具有潜在性的、严重危害性的损伤失效形式。 微动损伤是一种相当复杂的疲劳失效形式。近年来，微动操作已在国际学术界上发展成为重要学科。国际上，在航空、铁路技术中，已经有预防微动损伤的措施，虽然与电站系统有很大区别，但考虑此问题的思路仍有许多方面值得电站设备、结构的设计者借鉴。 7结束语 电站设备的微动损伤分析是非常复杂的，涉及的相关学科很多，单从某一学科领域进行研究分析，不会取得满意的结果。笔者以为，应充分应用相关学科尤其是利用交叉、边缘学科知识来分析解决电站调和中的微动损伤问题，这样将会产生一些具有创新精神的研究成果。