电厂动平衡连接管法兰螺栓断裂原因分析

2021-03-10王昊

河南科技 2021年19期

王昊

摘要：某电厂20Cr1Mo1VNbTiB动平衡连接管法兰螺栓在运行时发生断裂，采用宏观检查、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、断口分析以及装配环境检查等方法对失效螺栓进行分析。结果表明，失效螺栓的化学性能及力学性能均符合国家标准，断口裂纹为多源断裂，裂纹为沿晶裂纹，失效螺栓为过载断裂，引起螺栓失效的原因主要为螺栓预紧力过大，导致螺栓长期处于高应力状态，最终产生断裂。

关键词：螺栓;过载断裂;力学性能;金相检验

中图分类号：TF762 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0033-04

Abstract： The flange bolt of 20Cr1Mo1VNbTiB dynamic balance connecting pipe in a power plant broke during operation. The failed bolt was analyzed by means of macro inspection， chemical composition analysis， mechanical property test， metallographic inspection， fracture analysis and assembly environment inspection. The results show that the chemical and mechanical properties of the failed bolt conform to the the national standards，fracture cracks are multi-source cracks， the cracks are intergranular cracks， the failure bolt is overload fracture. The main reason for bolt failure is that the bolt preload is too large， which leads to the bolt in a high stress state for a long time and finally fracture.

Keywords： bolt;overload fracture;mechanical properties;metallographic examination

高溫紧固螺栓是火力发电厂重要的金属监督部件，主要起紧固、密封、连接的作用。高温紧固螺栓在工作中处于较高的温度和拉伸应力的状态，有时也会承受弯曲应力[1]，属于高应力区域，一旦发生失效，将会导致设备损坏和机组停运，甚至会导致人员伤亡。近年来，因螺栓断裂而导致发电厂事故的情况时有发生，为电厂的安全生产带来了较大的安全隐患。为适应高温、高应力及蒸汽氧化腐蚀的工作环境，高温螺栓材料需要具有较高的屈服强度、足够强的塑性和韧性以及一定的抗高温氧化性[2-3]。20Cr1Mo1VNbTiB是我国自行研制的低合金高强度钢，也叫做争气1号钢，是一种电厂高温螺栓用钢，具有良好的持久强度和抗松弛性能，热脆倾向小，缺口敏感性低，主要用于温度低于570 ℃的位置，在火力发电厂机组中得到了广泛应用[4-5]。某电厂于2018年10月投入运行，2021年1月在机组运行时发现高中压外缸上半中部漏汽。经现场排查发现，蒸汽泄露的原因为动平衡连接管法兰螺栓断裂，造成法兰密封不严，导致蒸汽泄露。为查明螺栓断裂的原因，以便采取预防措施防止类似事件的发生，本文对断裂螺栓进行检验和分析，并对类似问题提出合理化建议及预防措施。

1 试验分析

1.1 宏观检查

图1为断裂螺栓，图2为断裂螺栓的断口宏观形貌。宏观观察发现，断口处存在大量的氧化物，并且存在两处裂纹起源，终断区较小，断口面未见疲劳特征。断口处可分为裂纹源区、扩展区、剪切唇区3个区域，符合过载断裂形貌特征。

1.2 化学分析

对失效螺栓取样并进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知，所检螺栓的化学成分均符合《火力发电厂高温紧固件技术导则》（DL/T 439—2018）对20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的技术要求。

1.3 室温力学性能

按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010），在失效螺栓上沿轴向截取拉伸试样，试样是2个标距为5 mm的棒状试样（编号1-1、1-2），在UTM5305HA/300KN型万能试验机上进行室温拉伸试验。按照《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》（GB/T 229—2007）和《火力发电厂高温紧固件技术导则》（DL/T 439—2018）的要求，在失效螺栓断口附近沿轴向截取2个尺寸为55 mm×10 mm×10 mm的夏比冲击试样（编号1-3、1-4），加工成U形缺口，在PTM2302-D型冲击试验机上进行室温冲击试验，试验结果如表2所示。由表2可知，失效螺栓力学性能符合国家标准要求。

按照《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》（GB/T 231.1—2018），采用320HBS-3000数显布氏硬度计对失效螺栓断口附近横截面沿径向从心部至表面进行硬度测试，螺栓硬度测试结果如表3所示。由表3可知，螺栓硬度值从心部至表面逐渐增加，失效螺栓硬度符合国家标准要求。

1.4 金相检验

将失效螺栓沿中间面及裂纹起源处切开（见图3），分别进行金相检查及断口形貌观察。

将试样按照《火电厂金相检验与评定技术导则》（DL/T 884—2019）的方法经120号砂纸粗磨，去除表面打磨痕迹，然后经240、360、480、600、1 000号砂纸进行反复细磨后，采用MoPao3S-C型抛光机进行抛光。抛光后的试样采用4%硝酸酒精进行腐蚀，并用酒精进行清洗，在Leica DMi8 C型徕卡倒置式显微镜上观察显微组织形貌，结果如图4所示。由图4可知，螺栓显微组织为回火贝氏体，组织未见异常，断口处表面已被氧化，同时在靠近断口的第二齿螺牙根部的R角处发现一处裂纹。对该区域进行显微观察，金相检查结果如图5所示。从图5可知，该裂纹为沿晶裂纹。

1.5 断口分析

将螺栓断口表面用20%盐酸清洗，去除表面氧化层，露出金属断口形貌，并利用扫描电子显微镜进行观察，观察结果如图6所示。螺栓的裂纹源区及裂纹扩展区均为准解理断口，瞬断区可以观察到韧窝的存在。

1.6 现场装配调查

对断裂螺栓进行现场检查，并观察装配过程发现，断裂螺栓位于狭小空间内，工人在现场安装时未使用带有定力功能的安装设备，并且采用一般的扳手进行装配，用力大小依靠经验控制，容易造成螺栓预紧力过大，使螺栓在运行时承受较大的应力。

2 综合分析

由试验结果可知，螺栓的金相组织未见异常，拉伸试验、冲击试验、硬度检测均符合行业标准;通过检查螺栓的断口形貌发现，断口表面均已被氧化，裂纹源位于螺纹的R角根部处。断口面存在2处裂纹起源，终断区较小，断口下一齿螺纹根部存在微裂纹，裂纹呈沿晶断裂特征，属于多源断裂，瞬断区有观察到韧窝的存在，断口面未见疲劳特征。通过观察断口可知，断口区域分为两处裂纹源区，即扩散区和剪切唇区，符合过载断裂的三要素。综合分析，该断口属于过载断裂[6-10]。

过载断裂原因为螺栓已运行多年，长期服役于530 ℃工作环境下，加之螺栓预紧力偏大，使螺栓长期处于高应力状态下服役，较高的应力集中在螺纹根部，最终发生沿晶开裂。

3 结语

螺栓断裂为过载断裂，引起螺栓断裂的原因与螺栓长期处于高温状态及过大的螺栓预紧力有关。螺栓的质量正常，力学性能及组织性能符合国家相关技术指标，断裂与原材料本身无关。

建议严格控制螺栓的安装过程，现场操作时控制施加的预紧力，规范操作方法，定期标定力矩扳手，以减少误差值，确保力矩扳手的准确性和稳定性。检修过程中对螺栓进行100%超声波检验和预紧力检查，若發现问题及时处理。

参考文献：

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[2]吴红辉，王韦.20Cr1Mo1VNbTiB高温螺栓断裂失效分析[J].华电技术，2018（10）：27-29.

[3]王东.高压导汽管螺栓断裂失效分析[J].热加工工艺，2017（15）：252-253.

[4]张健，王若民，陈国宏，等.20Cr1Mo1VTiB钢制高温紧固螺栓断裂失效分析[J].理化检验（物理分册），2019（11）：804-807.

[5]陶康宁，初希，邹宝诚，等.20Cr1Mo1VTiB中压调门螺栓断裂失效分析[J].机械设计，2020（2）：125-127.

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[7]李如源，刘海涛，张玉忠.1 000 MW核电汽轮机空心螺栓断裂原因分析[J].理化检验（物理分册），2018（4）：296-299.