電站設備的微動損傷

　　評論：　更新日期：2008年10月29日

電站設備中微動是不可避免的現象，它與相當一部分結構損傷事故有著直接的關系。在應力集中、腐蝕發生的部位，微動又是許多電站設備損傷失效的直接原因。微動損傷使得許多電站設備隨著運行年數的增加損傷失效事例越來越多，因此，研究和分析電站設備結構中的微動損傷實屬必要。如何正確認識和解決微動損傷是解決電站設備高可靠性、長壽期的重要技術基礎。

1微動損傷的定義

微動操作是存在于近似“靜止”配合的機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振動運行（一般認為相對振動幅小于300μm），接觸表面上所出現的損傷現象。按損傷模式的不同，微動損傷可分為3種基本形式：

（1）微動磨損，這是指由于微動使接觸表面間產生細小的磨屑，在空氣中磨屑被氧化，這些氧化物被稱為“微動斑”、“銹斑”、“粘結斑”等，它們的顏色與微動件材質的顏色有所不同，因而在操作區有無“微動斑”是區分通常磨損與微動磨損的一個重要標志。

（2）微動疲勞，這是指零件在接觸損傷區內萌生裂紋，裂紋在變應力作用下擴展而導致的疲勞強度下降或早期斷裂。

（3）微動腐蝕，這是指在電解質或其它腐蝕性溶液中，微動與腐蝕聯合作用造成的表面操作，腐蝕作用占優勢。

在微動損傷的發展過程中，微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕都有可能發生，全它們的損傷速率不同，當某一損傷速率占主導地位時，最終便表現為這一損傷失效模式。隨著微動條件的變化，失效模式也可能發生變換。

2微動損傷的機理

微動損傷的機理很復雜，很難用一種觀點來概括解釋所有現象。縱觀已有的研究成果，微動操作是粘著、磨損、氧化和疲勞這4種基本損傷機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。

對于微動損傷初始階段的機理，比較一致的看法是粘著和氧化。任何構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，總是凸起點先接觸。實際測定，一般配合的機械零件表面的實際接觸面積只有幾何表面面積的0.01％～0.1％。對于重載配合件，其接觸峰點的表面壓力有時可達5000MPa，并可產生極高的瞬間溫度。在這種狀態下，配合表面的接觸點會產生焊接現象，即發生粘著。此時，若有微動存在，粘著點會發生撕裂，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生化學反應，產生新的氧化物。這種機械和化學的交替作用造成了材料的磨損和腐蝕。

由于機械磨損和化學腐蝕作用，磨屑不斷增多，當產生的磨屑足以覆蓋接觸表面后，粘著減弱，微動磨損進入穩定階段。穩定階段中，磨屑在微動的作用下變得越來越細，并吸收大量機械能，使磨屑本身具有極大的化學活性甚至達到自燃的狀態，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態。釉質氧化物在微動作用下易于產生破碎和分離，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，當裂紋達到某一臨界長度時，裂紋將沿著某些薄弱點向表面剪切方向發展，使材料脫離母體，形成條形薄片，這就是脫層機理的基本要點。

如果摩擦表面和亞表面產生裂紋，金屬屑將進入裂紋中并氧化。由于氧化金屬屑的體積增加，便形成氧化物的楔子作用，更加速裂紋擴展。當金屬表面處在電解質中時，微動過程會使金屬表面的氧化膜變薄或破裂，同時，局部表面疲勞和塑性變形均可增加金屬表面的化學活性，影響金屬表面的電位。實踐證明，在一定頻率下，腐蝕電流和微動振幅呈線性關系，而在固定振幅下，腐蝕電流和頻率也是線性關系。這是因為單位時間產生的腐蝕電流及金屬離子進入電解質的數量與底層金屬暴露的面積和速率有關，這說明，微動時金屬的腐蝕點增加，會加快金屬的損耗。

綜上所述，不論是微動初期，還是穩定階段，微動損傷都是機械磨損和化學腐蝕共同作用的結果。所以它比一般損傷的危害性更大。

3微動損傷的特征

3.1結構外觀特征

微動時，構件處在高頻、小幅的振動環境中，由微動引起的構件的相對運動速度極低，用肉眼很難發現。另外，微動初期磨屑不易逸出，沒有征兆可尋，這也增加了微動損傷被發現的難度。所以，微動損傷發現時，一般來說問題都已比較嚴重。

3.2損傷形貌特征

在微動初期，損傷的表面會產生不規則的突起或小坑。進入穩定階段后，其表面形貌與微動條件密切相關：振幅較大時，表面會出現與微動方向一致的劃痕；振幅很小（小于2μm）時，表面反而非常光滑，但可觀察到碾壓的痕跡。處于高溫環境下的微動使材料塑性變形加重，甚至還會形成很脆的釉質氧化膜，并在外力作用下發生磚砌路面樣的裂紋，導致脫層或疲勞裂紋。

3.3力學性質特征

微動會使構件接觸表面的材料發生硬化、變脆現象。一些本來韌性很好的金屬，在摩擦作用下其表面產生了明顯的塑性變形或疲勞裂紋。而原來剛度較強的金屬材料會產生脆性材料的力學特征，在沒有明顯塑性變形的情況下發生脆裂和剝落。

4微動損傷的診斷

解決微動損傷的問題，關鍵是預防，由于產生微動的原因是振動和交變載荷，因此，查出振源并采取相應的減振、隔振、消振措施是預防或降低微動損傷的基礎。對于微動損傷的診斷，主要應根據損傷的特征和形式加以綜合分析。

5電站設備中的微動損傷

電站設備多數在流體介質環境下運行，又有引起微動的各種環境條件，因為微動損傷是普遍存在的。由于人們一般只著重于比微動更為顯著的振動的改善，微動損傷往往被忽略或被誤解為其它因素造成的結果。

電站設備由于其特殊性，微動操作也表現出相應的特征：

（1）由于電站設備運行在流體介質的環境下，因此微動操作普遍存在于整個系統設備中，即從鍋爐、壓力容器到管件、法蘭、螺栓等，而且無法克服；

（2）由于電站設備多數構件在低應力狀態下運行，微動操作隨著運行時間的增長會日漸突出，其嚴重性也會日漸增加；

（3）由于在液體介質環境下運行，使得微動腐蝕與微動疲勞也成為影響電站設備最終壽命的微動損傷中的主要形式。

由于誘發微動損傷的因素普遍存在，并體現在幾乎整個系統的各個部分，例如：鍋爐、壓力容器、換熱器、主泵、管道部件等都有微動損傷的存在。因此，筆者認為，許多操作事例應從微動損傷角度去分析。

管件、閥門等管路系統件是發生疲勞失效事故數目較多的構件。引起這種失效的原因為：一是微動；二是溫度波動（溫度場的變化）。從前面的分析可以看出，這些現象可從微動損傷的角度來分析解釋。

實際上電站設備有許多問題出乎于設計者的預料之外，如果發展并應用微動損傷理論進行電站設備結構損傷分析，則電站中一些重要的設備損傷狀況和壽命或許可以得到更加合理的解釋和預估。

6電站設備、結構微動損傷的預防措施

電站系統的特殊性，高溫、高壓、高流速條件對于微動操作有很強的加速作用；另一方面，高穩定性、高可靠性要求對于修復工作事了困難，而且，一旦發生損傷，可能造成嚴重的后果。所以，預防應著重于設計前的專題研究及設計過程中，其次在于加工制造和裝配調試階段。在許多電力設備的設計規程上，還沒有考慮微動損傷這一具有潛在性的、嚴重危害性的損傷失效形式。

微動損傷是一種相當復雜的疲勞失效形式。近年來，微動操作已在國際學術界上發展成為重要學科。國際上，在航空、鐵路技術中，已經有預防微動損傷的措施，雖然與電站系統有很大區別，但考慮此問題的思路仍有許多方面值得電站設備、結構的設計者借鑒。

7結束語

電站設備的微動損傷分析是非常復雜的，涉及的相關學科很多，單從某一學科領域進行研究分析，不會取得滿意的結果。筆者以為，應充分應用相關學科尤其是利用交叉、邊緣學科知識來分析解決電站調和中的微動損傷問題，這樣將會產生一些具有創新精神的研究成果。