汽轮机高温螺栓断裂失效的测试与分析

刘齐峰

（国家能源集团华北电力有限公司廊坊热电厂，河北 廊坊 065000）

长期处在高温下运行后，螺栓会逐渐老化，并且存在很多故障模式。根据螺栓的破坏机理，可分为螺纹卡死，应力腐蚀，材料热脆老化，接触面泄漏，蠕变，疲劳以及中心孔烧伤等。螺栓失效的判据有以下5个:根据螺栓运行时间计算的寿命损耗达到100%；发现有裂纹的螺栓；残余伸长率为100%；外观严重损坏且无法修理的螺栓；以及中心孔局部燃烧发生熔化的螺栓。鉴于蠕变断裂可以说是高温螺栓在火电厂中最普遍的一种螺栓失效情况，在对高温螺栓进行监督检查时，检查的关键可以集中到蠕变损伤情况。以下介绍螺栓现场的检查方法，并结合具体案例进行分析。

1 现场螺栓检查方法

现场螺栓检查方法主要包括以下几种:宏观检查，无损检查（超声波、磁粉、染色、中心孔的内窥镜观察）[1-2]，金相检验[34]，硬度测量和螺栓蠕变伸长率测量。根据螺栓失效标准和高温螺栓常见的蠕变破坏机理，螺栓现场检查方法的有效性分析如下。

（1）宏观检查。目视检查或放大镜检查，应集中精力检查第1根螺纹的根部是否有裂纹。该方法简单易行，技术含量低，检出率高。

（2）无损检查（超声波探伤或着色检查）。该检查需要具有相应的检查资格，技术含量较高，宏观裂纹缺陷检出率也较高。

（3）金相检验。现场金相检验主要用于检查25Cr2 Mo V，25Cr2 Mo1 V 螺栓材料结构是否粗大或是否存在黑色网状奥氏体晶界。例如，如果存在明显的黑网状奥氏体晶界，则应更换25Cr2 Mo V 钢螺栓。因为现场金相只能检查抛光的杆部或螺栓端部，而不能检查螺纹根部，所以金相组织只能用作评估材料性能的参考指标，通常对于评估高温螺栓的蠕变损伤是无效的。

（4）硬度测量。硬度可以间接反映材料的强度和韧性。较低的硬度表示较低的强度，较高的硬度表示其韧性可能较差。因此，DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》要求火力发电厂在高温下要密闭，并且规定了对各种材质螺栓的硬度的上下限[5]。例如，若25Cr2 Mo V 钢螺栓的硬度超过HB300，则应将其更换。但是硬度和蠕变损伤之间没有直接对应关系，螺栓硬度值只能用于间接评估其材料性能，而不能用于评估螺栓蠕变损伤的程度。

（5）螺栓蠕变伸长率测量。DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》规定，在使用新螺栓之前，应先测量螺栓长度（并指定具体的测量方法），并进行随后的大修，应测量1/3螺栓的蠕变变形。高温螺栓的蠕变伸长率测量对于判断蠕变损伤非常有效。

下面以实际案例具体分析高温螺栓的断裂失效原因。

2 案例基本情况

某电厂2号机组已累计运行约65 000 h。在检修过程中，发现高压主蒸汽阀螺栓、中压主蒸汽阀螺栓、高压调速阀螺栓、中压调速阀螺栓、过热器安全阀螺栓和高压蒸汽管气缸法兰螺栓断裂[6-8]。检验中发现的螺栓数量、材质、规格和断裂的螺栓数量如表1所示。选取4个具有代表性的螺栓，开展相应的测试和分析，这4个螺栓的名称，规格和材质如表2所示[911]。

表1 高温螺栓断裂的统计数据

表2 测试螺栓信息

3 测试与分析

3.1 断裂形态分析

所有断裂的螺栓在第1圈螺纹的根部断裂，断裂表面被氧化成黑色，截面比较粗糙，可见裂纹，但没有明显的疲劳膨胀。裂纹最初产生于第1圈螺纹的根部，随后从外到内，从一侧到另一侧扩展。对于带有中心孔的螺栓，最终的断裂区域在螺栓中心孔处；对于无中心孔的螺栓，在裂缝源的相反侧。对于部分开裂的螺栓，螺栓沿裂缝断裂后，断裂明显分为两部分。旧断裂的形态与完全断裂的螺栓相同，断裂表面被氧化成黑色，截面粗糙，裂纹方向可见，但没有明显的疲劳膨胀。螺栓的断裂形态均具有蠕变断裂特性。

3.2 金相分析

对断裂的螺栓进行金相检验，图1是1号高压主蒸汽阀门螺栓的基体结构，图2是3号螺栓中压调速器的基体结构。从图1、图2可以看出，1号螺栓的基体金相组织为回火贝氏体，而3号螺栓的金相组织为回火索氏体，没有明显的黑网状奥氏体晶界，金相组织属于正常状态。将垂直于裂纹源截面的螺栓表面制样进行金相检验。从图3-6可以清楚的看到，在1号和2号2个高压主蒸汽阀门螺栓的断裂附近，有明显的链状蠕变孔沿着晶界分布；而在3号和4号2个螺栓的断裂附近，有明显的蠕变微裂纹沿着晶界分布。于是，从金相检验结果就可以得出，所选取的4个代表性螺栓的断裂机理为蠕变断裂。

图1 1号螺栓基本结构（500×）

图2 3号螺栓基本结构

图3 1号螺栓蠕变孔

图4 2号螺栓蠕变孔

图5 3号螺栓蠕变孔

图6 4号螺栓蠕变孔

3.3 化学成分分析

表3列出了4 个螺栓的化学成分测试结果。2个高压主蒸汽阀门螺栓（1 号，2 号）的材质为20Cr1 Mo1 VTi B，与设计材质一致。中压调速阀螺栓（3号）的设计材质为20Cr1 Mo1 V1，经测试为25Cr2 Mo V，与设计材质不符。高压蒸汽管法兰螺栓（4号）的材质为25Cr2 Mo V，与设计材质一致。

表3 螺栓化学成分的测试结果

3.4 硬度检查

对上述4个断裂的螺栓进行布氏硬度测试，测试结果列于表4。4个螺栓中，1号，2号，3号螺栓的硬度指标未达到标准规定的最低限值，并且没有超过标准最高限值的高硬度螺栓。

表4 螺栓硬度测试结果

3.5 室温冲击试验

表5示出了室温下的螺栓冲击试验的结果。在这4个螺栓中，3个（1号，2号，4号）的冲击值低于标准的下限。根据实际材料（25Cr2 Mo V），只有3号（中压调速阀螺栓）螺栓合格。

表5 室温下螺栓冲击试验的结果

3.6 室温拉伸试验

对4个螺栓进行了拉伸试验，测试结果列于表6。样品1号和2号的性能合格，2个样品3号和4号的强度指标合格，但可塑性指数接近或略低于下限。

表6 室温下螺栓的拉伸测试结果

4 螺栓断裂的原因分析

4个螺栓的断裂机理是蠕变断裂。1 号和2号2个螺栓的材料为20Cr1 Mo1 VTi B，2个螺栓3号和4号的材料为25Cr2 Mo V，螺栓3 号的材料比原始设计材料（20Cr1 Mo1 V1）低一级。

螺栓的工作温度约为540 ℃，即在蠕变环境中使用，螺栓的第1螺纹根部应力集中较大。在高温下长期运行后，该零件将形成蠕变孔或蠕变微裂纹。这些蠕变孔或蠕变微裂纹将从螺栓的中心逐渐向外发展，最终导致断裂。

蠕变断裂像机械疲劳断裂一样，也是由裂纹形成、逐步发展和最终断裂3个阶段组成，但断裂形态不同于机械疲劳断裂。蠕变断裂通常被氧化成黑色，并且裂纹可见，但是没有疲劳膨胀。最终断裂面积小，断裂的塑性变形不明显。宏观上，它很容易被误认为是一次性脆断[12- 13]。

高温螺栓第1螺纹根部的蠕变断裂是最常见的损坏形式，2号机组仅累计运行65 000 h。高压主蒸汽阀门螺栓和中压调速阀螺栓发生大量破裂和故障。应从螺栓装配过程和螺栓材料性能中查找原因。

蠕变失效的另一个重要因素，是由于安装期间过度预紧，进一步恶化了螺栓的损坏程度[1415]。由于连接的螺栓具有传力均匀，刚性高的特点，当外力小于同一法兰上螺栓的拧紧力时，它们承受的应力是不一样的，从而导致螺栓在同一法兰上以高紧力蠕变并过早失效。

在相同的载荷条件下，螺栓的蠕变寿命主要取决于材质的强度及韧性，从而带来了不同的抗蠕变断裂性能。这次测试中，高压主蒸汽阀门螺栓1号和2号的硬度和冲击韧性，以及4号螺栓的拉伸试验的塑性指数，均未达到标准规定的最低限值，3号螺栓的材料比原始设计材料低一级，由于强度不足提前断裂。同时，通过对高压主蒸汽阀门螺栓进行现场硬度测试，结果表明，尽管螺栓硬度合格，但依然较低。所有的32个螺栓的硬度范围处于248～261 HB，其中有20个螺栓的硬度接近标准规定的最低限值，约占总数的62.5%。之中有2个原因造成了螺栓的硬度和韧性普遍较低，一方面是长期的高温运行环境降低了螺栓的硬度和韧性，另一方面这些螺栓本身的材料强度和韧性偏低，也是导致螺栓过早损坏的重要因素。

5 结论和建议

（1）4个螺栓的断裂机理为蠕变断裂。

（2）预先发生螺栓的蠕变断裂可能与单个螺栓的过度预紧应力以及螺栓材质本身的性能低（抗蠕变断裂性）有关。3号螺栓材料比原始设计低一级，这可能是其过早失效的主要原因。

（3）高温螺栓的监督检查方法应以外观检查、无损检查（超声波检查或颜色检查）和蠕变伸长率测量为基础，并辅以金相和硬度检验。

（4）目前，蠕变伸长率的测量方法很少用于电厂螺栓的监督检查中，蠕变伸长率对于确定高温螺栓的蠕变损伤非常有效。电站今后应加强此项检查工作。新螺栓在投入运行之前应建立螺栓长度档案，使用中的螺栓应与大修、小修相结合，以逐步建立完善的螺栓长度档案，这对于将来对螺栓的蠕变监测是必不可少的。

（5）DL/T 439—2018《火电厂高温紧固件技术指南》规定了需要对螺栓部件蠕变伸长率进行测量。由于螺纹根部比螺杆部分更容易发生断裂，并且严重的蠕变损伤和测量螺栓的全长比测量螺纹部分更容易，因此建议测量包括两端螺纹部分的螺栓全长。