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電站設(shè)備的微動(dòng)損傷
評(píng)論： 更新日期：2008年10月29日
電站設(shè)備中微動(dòng)是不可避免的現(xiàn)象，它與相當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)損傷事故有著直接的關(guān)系。在應(yīng)力集中、腐蝕發(fā)生的部位，微動(dòng)又是許多電站設(shè)備損傷失效的直接原因。微動(dòng)損傷使得許多電站設(shè)備隨著運(yùn)行年數(shù)的增加損傷失效事例越來越多，因此，研究和分析電站設(shè)備結(jié)構(gòu)中的微動(dòng)損傷實(shí)屬必要。如何正確認(rèn)識(shí)和解決微動(dòng)損傷是解決電站設(shè)備高可靠性、長壽期的重要技術(shù)基礎(chǔ)。
1微動(dòng)損傷的定義
微動(dòng)操作是存在于近似“靜止”配合的機(jī)械零件中的一種損傷方式。其定義為：兩相相互接觸表面在一定的法向載荷作用下，若表面間存在小幅的相對(duì)振動(dòng)運(yùn)行（一般認(rèn)為相對(duì)振動(dòng)幅小于300μm），接觸表面上所出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象。按損傷模式的不同，微動(dòng)損傷可分為3種基本形式：
（1）微動(dòng)磨損，這是指由于微動(dòng)使接觸表面間產(chǎn)生細(xì)小的磨屑，在空氣中磨屑被氧化，這些氧化物被稱為“微動(dòng)斑”、“銹斑”、“粘結(jié)斑”等，它們的顏色與微動(dòng)件材質(zhì)的顏色有所不同，因而在操作區(qū)有無“微動(dòng)斑”是區(qū)分通常磨損與微動(dòng)磨損的一個(gè)重要標(biāo)志。
（2）微動(dòng)疲勞，這是指零件在接觸損傷區(qū)內(nèi)萌生裂紋，裂紋在變應(yīng)力作用下擴(kuò)展而導(dǎo)致的疲勞強(qiáng)度下降或早期斷裂。
（3）微動(dòng)腐蝕，這是指在電解質(zhì)或其它腐蝕性溶液中，微動(dòng)與腐蝕聯(lián)合作用造成的表面操作，腐蝕作用占優(yōu)勢。
在微動(dòng)損傷的發(fā)展過程中，微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕都有可能發(fā)生，全它們的損傷速率不同，當(dāng)某一損傷速率占主導(dǎo)地位時(shí)，最終便表現(xiàn)為這一損傷失效模式。隨著微動(dòng)條件的變化，失效模式也可能發(fā)生變換。
2微動(dòng)損傷的機(jī)理
微動(dòng)損傷的機(jī)理很復(fù)雜，很難用一種觀點(diǎn)來概括解釋所有現(xiàn)象?？v觀已有的研究成果，微動(dòng)操作是粘著、磨損、氧化和疲勞這4種基本損傷機(jī)理的疊加和相互影響造成的，可以歸納為粘著——氧化——脫層的理論。
對(duì)于微動(dòng)損傷初始階段的機(jī)理，比較一致的看法是粘著和氧化。任何構(gòu)件的表面都是由極薄的表面氧化膜和吸附的污染物或氣體覆蓋著的，而且其表面總是高低不平的，因此兩表面接觸時(shí)，總是凸起點(diǎn)先接觸。實(shí)際測定，一般配合的機(jī)械零件表面的實(shí)際接觸面積只有幾何表面面積的0.01％～0.1％。對(duì)于重載配合件，其接觸峰點(diǎn)的表面壓力有時(shí)可達(dá)5000MPa，并可產(chǎn)生極高的瞬間溫度。在這種狀態(tài)下，配合表面的接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生焊接現(xiàn)象，即發(fā)生粘著。此時(shí)，若有微動(dòng)存在，粘著點(diǎn)會(huì)發(fā)生撕裂，并將氧化層刮掉，露出清潔而活潑的金屬表面，隨之又與周圍的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的氧化物。這種機(jī)械和化學(xué)的交替作用造成了材料的磨損和腐蝕。
由于機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕作用，磨屑不斷增多，當(dāng)產(chǎn)生的磨屑足以覆蓋接觸表面后，粘著減弱，微動(dòng)磨損進(jìn)入穩(wěn)定階段。穩(wěn)定階段中，磨屑在微動(dòng)的作用下變得越來越細(xì)，并吸收大量機(jī)械能，使磨屑本身具有極大的化學(xué)活性甚至達(dá)到自燃的狀態(tài)，只要有氧，便可迅速完成氧化過程。這些氧化物顆粒被研磨和熱軟化而涂抹在接觸表面上形成釉質(zhì)態(tài)。釉質(zhì)氧化物在微動(dòng)作用下易于產(chǎn)生破碎和分離，這就成為萌生裂紋的核心因素。裂紋一旦萌生并和鄰近裂紋相連接，便形成平行于表面的裂紋，當(dāng)裂紋達(dá)到某一臨界長度時(shí)，裂紋將沿著某些薄弱點(diǎn)向表面剪切方向發(fā)展，使材料脫離母體，形成條形薄片，這就是脫層機(jī)理的基本要點(diǎn)。
如果摩擦表面和亞表面產(chǎn)生裂紋，金屬屑將進(jìn)入裂紋中并氧化。由于氧化金屬屑的體積增加，便形成氧化物的楔子作用，更加速裂紋擴(kuò)展。當(dāng)金屬表面處在電解質(zhì)中時(shí)，微動(dòng)過程會(huì)使金屬表面的氧化膜變薄或破裂，同時(shí)，局部表面疲勞和塑性變形均可增加金屬表面的化學(xué)活性，影響金屬表面的電位。實(shí)踐證明，在一定頻率下，腐蝕電流和微動(dòng)振幅呈線性關(guān)系，而在固定振幅下，腐蝕電流和頻率也是線性關(guān)系。這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間產(chǎn)生的腐蝕電流及金屬離子進(jìn)入電解質(zhì)的數(shù)量與底層金屬暴露的面積和速率有關(guān)，這說明，微動(dòng)時(shí)金屬的腐蝕點(diǎn)增加，會(huì)加快金屬的損耗。
綜上所述，不論是微動(dòng)初期，還是穩(wěn)定階段，微動(dòng)損傷都是機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕共同作用的結(jié)果。所以它比一般損傷的危害性更大。
3微動(dòng)損傷的特征
3.1結(jié)構(gòu)外觀特征
微動(dòng)時(shí)，構(gòu)件處在高頻、小幅的振動(dòng)環(huán)境中，由微動(dòng)引起的構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度極低，用肉眼很難發(fā)現(xiàn)。另外，微動(dòng)初期磨屑不易逸出，沒有征兆可尋，這也增加了微動(dòng)損傷被發(fā)現(xiàn)的難度。所以，微動(dòng)損傷發(fā)現(xiàn)時(shí)，一般來說問題都已比較嚴(yán)重。
3.2損傷形貌特征
在微動(dòng)初期，損傷的表面會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的突起或小坑。進(jìn)入穩(wěn)定階段后，其表面形貌與微動(dòng)條件密切相關(guān)：振幅較大時(shí)，表面會(huì)出現(xiàn)與微動(dòng)方向一致的劃痕；振幅很?。ㄐ∮?/SPAN>2μm）時(shí)，表面反而非常光滑，但可觀察到碾壓的痕跡。處于高溫環(huán)境下的微動(dòng)使材料塑性變形加重，甚至還會(huì)形成很脆的釉質(zhì)氧化膜，并在外力作用下發(fā)生磚砌路面樣的裂紋，導(dǎo)致脫層或疲勞裂紋。
3.3力學(xué)性質(zhì)特征
微動(dòng)會(huì)使構(gòu)件接觸表面的材料發(fā)生硬化、變脆現(xiàn)象。一些本來韌性很好的金屬，在摩擦作用下其表面產(chǎn)生了明顯的塑性變形或疲勞裂紋。而原來剛度較強(qiáng)的金屬材料會(huì)產(chǎn)生脆性材料的力學(xué)特征，在沒有明顯塑性變形的情況下發(fā)生脆裂和剝落。
4微動(dòng)損傷的診斷
解決微動(dòng)損傷的問題，關(guān)鍵是預(yù)防，由于產(chǎn)生微動(dòng)的原因是振動(dòng)和交變載荷，因此，查出振源并采取相應(yīng)的減振、隔振、消振措施是預(yù)防或降低微動(dòng)損傷的基礎(chǔ)。對(duì)于微動(dòng)損傷的診斷，主要應(yīng)根據(jù)損傷的特征和形式加以綜合分析。
5電站設(shè)備中的微動(dòng)損傷
電站設(shè)備多數(shù)在流體介質(zhì)環(huán)境下運(yùn)行，又有引起微動(dòng)的各種環(huán)境條件，因?yàn)槲?dòng)損傷是普遍存在的。由于人們一般只著重于比微動(dòng)更為顯著的振動(dòng)的改善，微動(dòng)損傷往往被忽略或被誤解為其它因素造成的結(jié)果。
電站設(shè)備由于其特殊性，微動(dòng)操作也表現(xiàn)出相應(yīng)的特征：
（1）由于電站設(shè)備運(yùn)行在流體介質(zhì)的環(huán)境下，因此微動(dòng)操作普遍存在于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備中，即從鍋爐、壓力容器到管件、法蘭、螺栓等，而且無法克服；
（2）由于電站設(shè)備多數(shù)構(gòu)件在低應(yīng)力狀態(tài)下運(yùn)行，微動(dòng)操作隨著運(yùn)行時(shí)間的增長會(huì)日漸突出，其嚴(yán)重性也會(huì)日漸增加；
（3）由于在液體介質(zhì)環(huán)境下運(yùn)行，使得微動(dòng)腐蝕與微動(dòng)疲勞也成為影響電站設(shè)備最終壽命的微動(dòng)損傷中的主要形式。
由于誘發(fā)微動(dòng)損傷的因素普遍存在，并體現(xiàn)在幾乎整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分，例如：鍋爐、壓力容器、換熱器、主泵、管道部件等都有微動(dòng)損傷的存在。因此，筆者認(rèn)為，許多操作事例應(yīng)從微動(dòng)損傷角度去分析。
管件、閥門等管路系統(tǒng)件是發(fā)生疲勞失效事故數(shù)目較多的構(gòu)件。引起這種失效的原因?yàn)椋阂皇俏?dòng)；二是溫度波動(dòng)（溫度場的變化）。從前面的分析可以看出，這些現(xiàn)象可從微動(dòng)損傷的角度來分析解釋。
實(shí)際上電站設(shè)備有許多問題出乎于設(shè)計(jì)者的預(yù)料之外，如果發(fā)展并應(yīng)用微動(dòng)損傷理論進(jìn)行電站設(shè)備結(jié)構(gòu)損傷分析，則電站中一些重要的設(shè)備損傷狀況和壽命或許可以得到更加合理的解釋和預(yù)估。
6電站設(shè)備、結(jié)構(gòu)微動(dòng)損傷的預(yù)防措施
電站系統(tǒng)的特殊性，高溫、高壓、高流速條件對(duì)于微動(dòng)操作有很強(qiáng)的加速作用；另一方面，高穩(wěn)定性、高可靠性要求對(duì)于修復(fù)工作事了困難，而且，一旦發(fā)生損傷，可能造成嚴(yán)重的后果。所以，預(yù)防應(yīng)著重于設(shè)計(jì)前的專題研究及設(shè)計(jì)過程中，其次在于加工制造和裝配調(diào)試階段。在許多電力設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)程上，還沒有考慮微動(dòng)損傷這一具有潛在性的、嚴(yán)重危害性的損傷失效形式。
微動(dòng)損傷是一種相當(dāng)復(fù)雜的疲勞失效形式。近年來，微動(dòng)操作已在國際學(xué)術(shù)界上發(fā)展成為重要學(xué)科。國際上，在航空、鐵路技術(shù)中，已經(jīng)有預(yù)防微動(dòng)損傷的措施，雖然與電站系統(tǒng)有很大區(qū)別，但考慮此問題的思路仍有許多方面值得電站設(shè)備、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者借鑒。
7結(jié)束語
電站設(shè)備的微動(dòng)損傷分析是非常復(fù)雜的，涉及的相關(guān)學(xué)科很多，單從某一學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行研究分析，不會(huì)取得滿意的結(jié)果。筆者以為，應(yīng)充分應(yīng)用相關(guān)學(xué)科尤其是利用交叉、邊緣學(xué)科知識(shí)來分析解決電站調(diào)和中的微動(dòng)損傷問題，這樣將會(huì)產(chǎn)生一些具有創(chuàng)新精神的研究成果。
通信設(shè)施安全技術(shù)
車間安全生產(chǎn)注意事項(xiàng)
