汽轮机中压内缸定位螺栓断裂失效原因分析

2016-08-11韩光海

山东电力技术 2016年6期

关键词：双头中压晶界

韩光海

汽轮机中压内缸定位螺栓断裂失效原因分析

韩光海

（神华国能宝清煤电化有限公司，黑龙江双鸭山155100）

通过结构分析、化学成分分析、硬度检测、宏观断口形貌观察和金相组织观察等方法，对某电厂汽轮机中压内缸定位双头螺栓断裂原因进行了分析。结果表明：螺栓断裂的性质属于脆性沿晶断裂，主要原因为螺栓的组织发生异常，内部产生微观裂纹，局部承载过大。

定位螺栓；显微组织；断裂分析

0　　引言

火力发电厂中常用的高温螺栓用钢材质为20Cr1Mo1VTiB，适用于570℃以下环境，具有良好的综合性能、抗松弛性能和热强性，由于加入了稳定碳化物元素V、Ti，并且添加B元素强化晶界，不但有高的持久强度，而且有高的持久塑性［1］。然而电厂高温螺栓往往存在因制造质量不合格或检修不当而造成失效。而且，在高温和应力的长期作用下，螺栓本身组织会发生老化和粗化，从而使材料发生脆性断裂而失效。

某电厂汽轮机组系哈尔滨汽轮机厂有限公司生产制造，型号为N300-16.7/538/538型汽轮机，型式为亚临界、一次中间再热、单轴、两缸两排汽反动式汽轮机。汽轮机额定功率：300 MW；蒸汽压力：16.7 MPa；蒸汽温度：538℃，截止到机组检修时累计运行7.9万h。2015年10月，该电厂A级检修期间，发现材质为20Cr1Mo1VTiB的中压内缸定位双头螺栓（螺栓规格Ф45 mm×3 mm×350 mm）发生断裂，对螺栓断裂的具体情况和原因进行分析。

1　　常见螺栓断裂的影响因素

金属材料的力学性能取决于化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素，也取决于载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等因素，以下为几种典型的高温螺栓失效因素。

1.1结构因素

螺栓由于结构设计的原因，在变截面处会产生应力集中区，定位双头螺栓的应力集中域在双头螺栓与螺母啮合处及螺栓光杆与定位鼓衔接处，而在额定工况下，汽缸左、右两端定位螺栓所受的工作应力大于其他受拉螺栓，其中高、中压合缸部位的定位螺栓应力值最大，而且定位双头螺栓在机组启、停与服役中应力不均衡，汽机冷启动时，作用在螺栓中的温度应力较大，其中定位螺栓中的温度应力最大［2］，因此，定位螺栓在服役过程中由于受力情况的不同容易在应力集中区发生断裂。

表120Cr1Mo1VTiB元素化学成分（质量分数）　%

1.2组织因素

螺栓在高温下长期服役，其内部组织会发生变化，生成一些有害于螺栓机械性能的组织，其中典型的引起失效的组织形式包括：带状组织，石状组织和粗大的位向组织，这些异常组织的存在造成材料组织粗大、不均匀，形成各向异性，降低了材料的强度和韧性。

1.3疲劳因素

螺栓在高温下长期受循环应力的作用，容易产生高温疲劳，产生高温疲劳时材料内部组织会发生晶界弱化，有时在晶界上会产生蠕变空位，蠕变空位的聚集会产生微裂纹，引起材料失效。

1.4外界因素

螺栓在检修期间的拆卸、装配过程中，由于操作不规范，强行拆除螺栓容易在螺栓表面形成外部划痕，紧螺母时，施力过大，产生瞬间极大扭矩，在螺栓内部形成剪切应力，使螺栓发生断裂。

2　螺栓断裂原因分析

2.1螺栓结构分析

图1为中压内缸双头定位断裂螺栓与同种完好螺栓的对比，从图中可以看出定位螺栓断裂的位置在螺栓螺纹与定位鼓衔接的缩颈位置处，此位置由于缩颈而产生应力集中，是整个螺栓受力最为薄弱的地方，当螺栓收到外力时，容易在此位置发生断裂。

图1　　中压内缸断裂螺栓

2.2化学成分和硬度分析

对断裂定位螺栓进行了化学成分分析，试验数据见表1。对比DL/T 439—2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》［3］，可以明确材质为20Cr1Mo1VTiB，且各元素成分含量满足标准要求。

对断裂定位螺栓在断口附近进行了硬度检测分析，试验数据见表2。根据DL/T 438—2009《火力发电厂金属技术监督规程》［4］，20Cr1Mo1VTiB螺栓的合格HB硬度范围为255～293，可以看出螺栓硬度在合格范围之类，并未发现硬度超标。

表2　20Cr1Mo1VTiB断裂螺栓硬度检测结果

2.3断口形貌分析

中压内缸高温定位双头螺栓断口宏观形貌如图2所示。由图可以看出，该断口比较平齐，色泽偏灰暗，断口边缘未见明显的塑性变形特征，断口呈典型的冰糖状结晶形貌，结晶颗粒较为粗大；同时断口宏观形貌呈现放射状，放射中心位于近圆心位置，据此可以初步判断该高温定位螺栓断裂方式为在外加剪切应力作用下的脆性沿晶断裂。

另外，从宏观断口形貌可以明显看出在断口放射中心位置存在微小孔洞，推测其放射中心部位存在夹渣或微孔缺陷，或是在长期服役过程中，内部微孔逐渐向此处聚集形成孔洞，这是材料内部裂纹萌生部位；在放射线及结晶块边界部位分布着曲折裂纹，这可能是裂纹扩展过程中形成的二次裂纹。

图2　　定位螺栓断口宏观形貌

2.4金相组织分析

中压内缸定位双头螺栓材质为20Cr1Mo1VTiB，为低合金热强钢，该材质的正常金相组织为回火贝氏体，在加工热处理过程中，淬火形成贝氏体组织，后回火处理降低材料组织内应力，但仍然保持其贝氏体组织形貌特征。

对此，进一步研究分析螺栓的金相组织特征，断裂中压内缸定位双头螺栓的金相组织如图3所示，其中图3（a）为断裂螺栓断口附近金相组织，图3（b）为完好螺栓相同部位组织。对比发现，完好螺栓组织为粒状贝氏体和少量铁素体的混合组织，其中贝氏体组织弥散均匀分布。而断裂螺栓断口处金相组织明显异常，晶粒大小极不均匀，晶界处有颗粒状或短线状组织聚集，存在着严重的混晶现象。另外金相组织中还存在明显的条带状组织，且其内部存在少量夹杂物。

这可能是由于该定位螺栓在高温环境下长期运行，组织发生变化，晶粒逐渐长大，晶粒中的碳化物逐渐析出，并在晶界部位富集，致使晶界弱化，因此在晶界部位更易发生开裂。

3　结语

该螺栓断裂主要原因：螺栓螺纹与定位鼓衔接处由于缩颈而产生应力集中，同时由于长期在高温下服役，螺栓材料中的带状组织发生粗化，晶粒中碳化物逐渐析出，并在晶界部位富集，致使晶界弱化以及材料内部有微观裂纹形成，并且在螺栓装卸过程中由于操作不当，对螺栓施加了一个极大的扭矩，形成切向应力，综合作用使得螺栓在缩颈位置的应力集中部位局部承载过大，发生脆性断裂。

［1]王飞，夏尊美，王红樱.20Cr1Mo1VTiB汽轮机螺栓断裂失效分析［J］.湖南电力，2009，29（5）：54-58.

［2]徐长威，许好好.高、中压缸法兰紧固螺栓断裂原因及解决措施［J］.电力建设，2004，25（2）：19-23.

［3］DL/T 439—2006火力发电厂高温紧固件技术导则［S］.

［4］DL/T 438—2009火力发电厂金属技术监督规程［S］.

Fracture Failure Cause Analysis on Positioning Bolt in the Middle Pressure Cylinder of Steam Turbine

HAN Guanghai
（Shenhua Guoneng Baoqing Coal-fired Power Co.，Ltd.，Shuangyashan 155100，China）

Using methods of structural analysis，chemical composition analysis，hardness test，macroscopic fracture morphology observation and metallographic structure observation，the fracture reason of the double headed bolt in the middle pressure cylinder of a power plant is analyzed.Results show that the nature of bolt fracture belongs to brittle intergranular fracture.The main reason of the fracture is that the structure of the bolt occurs some abnormality due to the large local load，and then the internal micro crack is produced.

positioning bolt；microstructure；fracture analysis