汽轮机高压调汽阀螺栓断裂失效分析

2021-10-08高贝贝李德波

发电设备 2021年5期

高贝贝，陈拓，李德波

(1.瓦卢瑞克核电管材(广州)有限公司，广州 511455； 2.南方电网电力科技股份有限公司，广州 510080)

汽轮机汽缸水平中分面的密封性对机组的经济性和运行可靠性有直接的影响。高温螺栓作为高温紧固件在法兰结合处产生较大的压紧力，在汽轮机设计工况运行过程中可以保证汽缸中分面的密封性。如果在机组运行中高温螺栓断裂，会造成巨大的经济损失[1]。高温螺栓在高温下长期运行后会逐渐老化，应严格执行验收、检验、检修等程序以减少高温螺栓失效的发生。按照失效机理，常见的高温螺栓失效形式有疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀、螺纹咬死、热脆老化和中心孔烧伤等[2-3]。高温螺栓断裂原因有：热处理不当，金相组织不合格，强度不合适；螺栓材料有缺陷，例如材料偏析；螺栓本身结构不合理或加工不当，存在应力集中现象；螺栓所受的附加应力过大；螺栓预紧力过大等[4-8]。

笔者对汽轮机高压调汽阀高温螺栓的断裂失效进行探究，全面分析断裂的原因及机理，提出相应措施避免类似断裂失效的发生。

1 理化检验

某电厂600 MW机组在高压调汽阀解体检修时发现一个高温螺栓断裂，该螺栓材质为20Cr1Mo1VNbTiB，规格为M76×340(公称直径为76 mm、螺纹长度为340 mm)，带中心孔结构。20Cr1Mo1VNbTiB是我国自主研制的贝氏体耐热钢，具有较高的持久强度和抗松弛性能，并且其持久塑性好、缺口敏感性低，工作温度为535～570 ℃，主要作为电厂大截面的高温紧固螺栓的材质[9-10]

1.1 宏观分析

图1为断裂高压调汽阀的阀门盖螺栓的整体宏观形貌，断裂发生在栓头螺栓的靠近光杆约3个齿纹处。

图1 断裂螺栓宏观形貌

断口表面大部分区域已经氧化腐蚀，经物理方法反复清洗后，得到宏观断口形貌见图2，裂纹扩展方向为图2中箭头所指方向。由图2可得：断裂发生在高压调汽阀的阀门盖螺栓螺纹的齿根部位，裂纹从螺牙的根部外缘萌发，向中心孔扩展；裂纹起源区较小，扩展迅速，断口上没有明显的宏观塑性变形，表面比较平整，呈明显的脆性断裂特征。

A区—开裂源区；B区—裂纹扩展区；C区—裂纹瞬断区。图2 断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用FOUNDRY-MASTER Optimum 台式真空火花发射光谱仪对断裂螺栓进行化学成分分析，结果见表1，表1中同时列出DL/T 439—2018 《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VNbTiB的标准成分，以进行比较。由表1可得：断裂螺栓的材料各元素含量基本与标准成分一致，但其中Mo质量分数为0.68%，低于标准成分要求(0.75%～1.00%)，而Si含量和Ti含量则略高于标准成分要求。

表1 断裂螺栓的化学成分 %

1.3 金相分析

在螺栓断口附近沿横截面制取金相试样，经抛光后，用硝酸体积分数为4%的硝酸酒精溶液对试样浸蚀，然后采用奥林巴斯GX51金相显微镜进行金相分析，金相组织见图3。

图3 螺栓断口附近的金相组织

由图3可得：送检螺栓材料的组织为回火贝氏体，部分碳化物析出，晶粒度为4级，属于微观中等粗晶，不能满足DL/T 439—2018中规定20Cr1Mo1VNbTiB高温螺栓的非套晶结构晶粒度应为5级的要求。

1.4 断口分析

采用配有能谱仪的Quanta 200型环境扫描电子显微镜(SEM)对断口的微观形貌进行观察。图4是开裂源区的SEM形貌，螺纹表面有明显的表面缺陷，断口表面有碰伤的痕迹，开裂源区断口的少许部位呈准解理花样，并有河流花样和二次裂纹，表明开裂源区的断裂属于脆性断裂。

图4 开裂源区的SEM形貌

图5为裂纹扩展区和裂纹瞬断区的SEM形貌，断裂区域存在短且弯曲的撕裂棱，呈准解理断裂形貌。

图5 裂纹扩展区和裂纹瞬断区的SEM形貌

1.5 硬度分析

根据GB/T 4340.1—2009 《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，采用MVS-1000D1型显微维氏硬度计对螺栓进行硬度试验，然后参照GB/T 1172—1999 《黑色金属硬度及强度换算值》，将维氏硬度换算成布氏硬度，最终测得螺栓硬度为283HBW。DL/T 439—2018中对20Cr1Mo1VNbTiB高温螺栓硬度的规定为252HBW～302HBW，失效螺栓的硬度满足标准要求。

2 分析与讨论

断裂的螺栓中Mo含量低于标准成分要求，而Si含量和Ti含量略高于标准成分要求。Mo是高熔点金属，对提高材料热强性有显著效果，可使零件在高温下具有抵抗塑性变形和断裂的能力。Mo既可以溶入固溶体使高强度的不平衡组织状态保持在更高的温度，同时又可以形成弥散的强化相。强化相在高温下稳定不易溶解，使材料在高温下能保持很好的强化效果。Si可以提高材料抗氧化性，但是Si也会增大钢的脆性，所以Si含量一般不宜过高。Ti的作用是形成稳定的弥散相，提高合金的高温强度，但Ti含量过高会导致材料塑性降低[11-12]。较低的Mo含量、略高的Si含量和Ti含量对螺栓的力学性能产生了不良影响。

螺栓的金相组织为回火贝氏体，部分碳化物析出，晶粒度为4级，属于微观中等粗晶。螺栓在长时间高温运行后，析出相逐渐增多并长大，而析出相形貌、尺寸的变化会直接影响材料的力学性能，使得材料的塑性和韧性下降，缺口敏感性显著增加[13-14]。断口处较平整且无明显塑性变形，断裂螺栓的裂纹源位于螺纹的齿根部位，在SEM形貌可中见该部位有明显的表面缺陷，容易造成应力集中，进而导致裂纹源的形成。

3 控制措施

(1)对于电厂的金属监督人员，应该了解供应商的生产过程及质量保证体系，确保螺栓的生产和检验按照DL/T 439—2018的要求进行，从而提高螺栓的入厂合格率。同时，应加强对螺栓的验收检验，严格依据产品标准检查其质量检验单，包括化学成分、低倍和高倍组织等。通常情况下，电厂只对高温螺栓进行光谱分析，而光谱分析只能对部分元素进行半定量分析，并不能保证螺栓的全部化学成分符合要求。此次高温螺栓断裂说明对螺栓进行化学成分分析很有必要。因此，除了对新螺栓全部进行光谱检验外，建议增加螺栓化学成分分析的抽检。

(2)高温螺栓使用前应检查其表面质量，表面不应有凹痕、裂纹等会引起应力集中的缺陷存在，必要时可用渗透剂、磁粉、超声波等方式探伤，有裂纹的螺栓应报废。

(3)电厂在对运行汽轮机紧固件进行金属技术监督过程中，要做好宏观检验、无损探伤、硬度检验、金相组织检验等工作。针对频繁拆装的螺栓，应缩短其检验周期。针对失效螺栓，应对同部位、同材料、同规格的其他螺栓进行扩大检查。

(4)加强高温螺栓检验管理，做好记录，以便对螺栓进行寿命管理，应及时更换已接近使用寿命的螺栓。在更换部分螺栓后，新旧螺栓应交错布置，以增强汽轮机运行的稳定性。