法兰通孔螺柱断裂原因分析

龚静，何朋非，胡加瑞，谢亿，陈红冬

(1.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南 长沙 410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

法兰通孔螺柱断裂原因分析

Cause analysis on fracture of flange stud

龚静1，何朋非1，胡加瑞2，谢亿2，陈红冬2

(1.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南 长沙 410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

采用布氏硬度、室温拉伸、冲击韧性试验、化学成分分析等方法，并结合金相及扫描电镜观察，对某电厂法兰通孔螺柱的断裂原因进行分析。结果表明，该材料存在线性夹杂物及块状铁的氧化物杂质，及冲击韧性较差，导致了法兰通孔螺柱在热紧冷却过程中发生脆性断裂。

金相组织；扫描电镜；螺柱；冲击韧性；脆性断裂

1 概况

某电厂 2号机组法兰通孔螺柱材质为20Cr1Mo1VNbTiB。该材料为贝氏体耐热钢具有优良的综合力学性能和较好的淬透性，主要用于570℃以下高温螺栓及阀杆材料。该钢在570℃温度下具有较高的抗松弛性能、持久强度和持久塑性，且持久缺口敏感性小，热脆性低，组织稳定性好〔1〕。该电厂所用螺柱规格为M120 mm×1 030 mm，服役时间约3万h，螺柱在热紧冷却过程中发生脆性断裂〔2〕。

2 试验结果

2.1 宏观检查

法兰通孔螺柱的断口宏观形貌如图1所示。螺柱在螺纹丝扣中部处断裂，断口无明显塑性变形，属典型脆性断裂。图1(a)虚线框中的灰黑色区域为断裂源，其放大图如图1(b)所示，灰黑色区域尺寸为34 mm×14 mm。

2.2 硬度试验

在螺柱光杆上及其横截面分别进行硬度试验，其中横截面的硬度试验分别在距螺柱外壁6，12，18，24，30 mm处进行 (螺柱外壁到中心孔的距离为50 mm)。螺柱光杆上的布氏硬度值为293 HB，横截面的平均布氏硬度值为298 HB，螺栓各部位硬度值均满足文献 〔3〕标准中252～302 HB的要求。

图1 螺柱断口

2.3 拉伸试验

在螺柱1/2半径处取样进行拉伸试验，其室温拉伸力学性能结果见表1。螺柱的3项力学性能指标均符合文献 〔3〕关于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表1 螺柱的室温拉伸力学性能

2.4 冲击试验

在螺柱1/2半径处取U型缺口标准试样进行冲击试验。螺柱冲击功的平均值为36.5 J，低于文献 〔3〕中不小于47 J的要求。

2.5 化学成分分析

对螺柱进行化学成分分析，试验结果见表2。螺柱的主要化学元素符合文献 〔3〕 关于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表2 螺柱的化学成分 %

2.6 金相检验

在螺柱1/2半径处取轴向截面进行金相试验。螺柱轴向截面的金相组织为贝氏体＋残余奥氏体＋铁素体。同时材料中含有少量线性夹杂和金黄色方块及具有一定几何形状的TiN夹杂物〔4〕，在残余奥氏体内部存在裂纹，并且TiN夹杂物尖角处有裂纹萌生，分别如图2(b，d)中白色箭头所示。

图2 螺柱金相组织照片

2.7 扫描电镜分析

2.7.1 成分分析

沿图1(a)虚线框中取样进行扫描电镜能谱分析，灰黑色区域的2个视场能谱采集位置及对应谱峰图如图3所示，其化学成分见表3。图1中的灰黑色物质主要为铁的氧化物。

图3 能谱采集点及对应谱峰图

表3 灰黑色区域采集点化学成分 %

2.7.2 断口分析

对螺柱断口进行扫描电镜分析，从图4(a)中可知螺柱断裂源不在螺纹根部；断裂区域最大孔洞如图4(b)所示，该深孔距螺柱外壁约5 mm；图4(c)中断口呈解理断裂〔5〕；图4(d)中灰黑色区断口表面平滑、无明显裂纹和撕裂痕迹。

图4 断口扫描电镜图片

3 原因分析

法兰通孔螺柱的3项力学性能指标均符合文献 〔3〕标准要求，但其冲击性能低于该标准要求，并且轴向截面显微组织含有少量残余奥氏体、铁素体以及线性夹杂，金相组织欠佳。

整个断面有2处明显的宏观可见杂质，检测显示杂质为铁的氧化物，其中较大块杂质尺寸为34 mm×14 mm。电厂将螺柱加热膨胀至规定长度后拧进螺母，在随后的收缩冷却过程中产生很大的预紧力，由于大块状杂质的存在，弱化了螺柱的力学性能，导致螺柱发生瞬间断裂。

4 结论及建议

法兰通孔螺柱发生断裂主要是由于材料中存在铁的氧化物和线性夹杂，以及材料冲击韧性差、热处理工艺欠佳。

断裂螺柱杂质较大、热处理工艺欠佳，同批次螺柱中也可能存在类似情况，运行过程中可能发生瞬间断裂，会严重影响机组的安全运行。建议对入厂新螺栓进行相关的金相、硬度、冲击试验以及无损检验等；同时加强螺栓入厂验收把关，防止不合格产品流入运行环节。

〔1〕干勇，田志凌，董瀚，等.钢铁材料手册 (下) 〔S〕.北京:化学工业出版社.2009:926-929.

〔2〕钟群鹏.断口学 〔M〕.北京:高等教育出版社，2005:176-184.

〔3〕DL/T 439—2006火力发电厂高温紧固件技术导则 〔S〕.北京:中国电力出版社，2006.

〔4〕李炯辉.金属材料金相图谱 (上册) 〔M〕.北京:机械工业出版社，2007:645-651.

〔5〕姜锡山，赵晗.钢铁显微断口速查手册 〔S〕.北京:机械工业出版社，2010:25-41.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.015

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1008-0198(2015)02-0049-02

龚静(1986)，女，汉族，广西桂林人，硕士研究生，从事理化试验及事故分析。

2014-09-25 改回日期:2014-10-13