某电厂高压主汽门螺帽变形及螺栓断裂分析

冯红武，沈祎侬，高瑞阳，田 泽，叶建锋

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

高温螺栓是火力发电厂汽轮机组重要的紧固连接零部件，直接影响汽轮机组的安全性［1-3］。高温螺栓工作环境恶劣，运行中受到温度、应力和环境介质的作用，会逐渐失效，失效方式以脆性断裂居多［4-7］，而配套螺帽的变形，会导致螺栓紧固不牢靠，产生泄漏事故。

高温螺栓在高温高压环境中使用，运行过程中承受拉应力和弯曲应力，要求具有较高的松弛稳定性和屈服强度，其材料应具有较高的持久塑性和韧性，良好的抗高温氧化、蠕变持久性能、热加工和机械加工性能、良好的组织稳定性及较小的热脆倾向［8-11］。此外，还要确保螺栓符合装卸要求。

目前，高温螺栓材质主要有12%Cr铁素体不锈钢、合金钢及高温合金［12-15］等。20Cr1Mo1VNbTiB 为低合金高强钢，具有良好的力学性能、较好的淬透性以及较高的抗松弛性能，广泛应用于电厂高温螺栓，但该牌号钢对热处理比较敏感，易出现粗晶［16-18］，在持续高温下运行，粗晶部位会产生微裂纹，最后发生断裂。本文对某电厂汽轮机高温螺帽变形及螺栓断裂失效原因进行分析，为同类电厂的金属技术监督起到参考作用。

1 概况

某电厂2 号机组汽机在检修拆除过程中，发现高压主汽门门盖内有多个螺栓断裂、螺帽变形现象。该批次的螺栓和螺帽运行时间接近1万h，通过查询到货验收记录，螺栓和螺帽的材质均为20Cr1Mo1VNbTiB，螺帽规格为M36×14 mm，螺栓规格为M24×84 mm，设计温度为569 ℃，设计压力为24.2 MPa。

2 试验与分析

2.1 螺栓安装位置图

根据电厂提供的现场运行图片及设备图纸，如图1所示，红色箭头所指位置为断裂螺栓运行的部位，图1（b）为螺栓的侧视图纸，箭头所指为其安装运行位置。

图1 门盖螺栓运行位置及侧视图Fig.1 Operation position and side view of door cover bolts

2.2 螺栓及螺帽的宏观检查

对断裂螺栓进行宏观检查，断裂位置位于螺帽口，另一半已经找不到了；螺帽内部剩余的螺栓由于放置时间过长，表面已经覆盖了很厚的氧化物。另外，对同一批，位于同一位置同时服役的螺栓进行外观检测，发现其部分有蒸汽吹损现象，从吹损位置切开，发现螺帽也存在变形，如图2（b）中5 号所示；对断裂的螺栓、吹损螺栓、以及备品螺栓进行编号为1号、2号、3号，如图2（a）所示；对断裂螺栓配套螺帽、吹损螺栓配套的变形螺帽、以及备品螺帽进行编号，为4号、5号、6号，如图2（b）所示；通过宏观检查，4号螺帽有不规则变形的现象，5号螺帽变形严重，最窄的位置快到螺帽边缘，6号备品螺帽孔为规则的六边形。

图2 螺栓及螺帽图Fig.2 Bolts and nuts image

2.3 光谱分析

对螺栓以及螺帽进行光谱分析，检测位置如图2（1号为背面，2号、3号为螺栓横截面，4号、5号、6号为圆弧面），分析结果如表1。3 号、6 号样品材质符合标准《DL/T439-2018 火力发电厂高压紧固件技术导则》［19］和《GB/T 20410-2006 涡轮机高温螺栓用钢》［20］中牌号20Cr1Mo1VNbTiB的要求，1号、2号、4号、5号样品的P元素不符合标准要求，其余元素符合标准要求。

表1 螺栓及螺帽化学成分（单位：%）Table 1 Chemical composition of bolts and nuts(unit:%)

2.4 硬度试验

对螺栓以及螺帽进行硬度试验（1 号螺栓为红色圆圈背面，2号、3号螺栓为箭头指向位置横截面，4号、5号、6号螺帽为箭头指向位置），试验结果如表2所示，3个螺栓的硬度值均符合《DL/T 439-2018 火力发电厂高压紧固件技术导则》中牌号20Cr1Mo1VNbTiB 的要求；3 个螺帽中，5 号螺帽的硬度远高于标准的要求。由宏观图片可以看出，5号螺帽变形严重，与其连接的螺栓部分缺失，为蒸汽吹损，可能会导致主汽门蒸汽泄漏［21-22］。经查标准，20Cr1Mo1VNbTiB 热处理的条件为1 020 ℃～1 040 ℃淬火油冷，680 ℃～720 ℃回火6 h后空冷［23-26］。

表2 螺栓及螺帽硬度检测结果(HB)Table 2 Hardness tests of bolts and nuts（HB）

2.5 金相分析

分别对螺栓和螺帽进行金相分析，结果如图3 所示，金相组织均为贝氏体，对照标准《DL/T 439-2018附录C》的图谱对组织进行晶粒度评级，图片为100 倍下的组织。1号螺栓的晶粒度为2级，2号螺栓晶粒度为3 级，4 号螺帽晶粒度为3 级，晶粒度均粗于5 级，而按照标准《DL/T438-2016 火力发电厂金属技术监督规程》［27］中14.4的要求，20Cr1Mo1VNbTiB 的晶粒度粗于5 级，需更换，6 号螺帽晶粒度为5 级，3 号螺栓晶粒度为7 级。从金相图谱可以看出，5 号螺帽有很多孔洞，为高温蠕变孔洞［28］，个别孔洞直径达到95 μm，已无法分辨其晶粒度级别。

图3 螺栓及螺帽金相组织Fig.3 Metallographic microstructure of bolt and nut

2.6 断口分析

汽机高压主汽门门盖螺栓断口位于螺栓与螺帽交接处，断口稍微凹下去，垂直于螺栓轴向；从图4（a）可以看出，最后断裂区域延伸反向收敛于螺栓根部，为断裂源，断裂源区外侧有黄色的氧化物富集，为初始裂纹长时间氧化所致；扩展区以两个点为中心（红色圆框），快速向前延伸，有可见的放射棱线，并伴有二次裂纹（白色圆框）；从图4（b）可以看出，断口最后断裂区很小，没有明显的塑性变形，为脆性断裂［29-31］，断裂源区，断口表面比较平滑，未见疲劳特征；图4（c）为断口源区高倍图，可以看出有河流形条纹，为解理断裂［32-35］；图4（d）可以看出，断口扩展区有许多条状的微裂纹。

图4 螺栓断口宏观及SEM图Fig.4 Macroscopic and SEM images of bolt fracture

3 综合分析

变形螺帽及断裂螺栓的P元素含量不符合标准要求，其余元素符合标准要求，而备品的材质符合标准要求，P元素主要影响钢材的低温力学性能。5号螺帽硬度检测位置接近焊接点，硬度值不符合标准要求，其余螺栓螺帽均符合标准要求，该螺帽与螺栓连接部位并不是通过螺纹螺旋连接，而是焊接连接，焊接过程产生的温度远高于淬火及回火温度，加上螺帽本身较薄，20Cr1Mo1VNbTiB 钢对热处理较敏感，焊接完成后的冷却过程，相当于一次热处理，并且连接部位有部分吹损，可能对材料的组织和性能有影响。

20Cr1Mo1VNbTiB 钢对热处理比较敏感，长期在高温高压条件下使用，容易出现粗晶，粗大的晶粒使螺栓内部产生微裂纹，在外力作用下最终断裂，1根螺栓断裂后，整个汽门门盖受力不均，振动加大，会导致其他螺栓断裂，同时，不合理的焊接加工，导致螺帽过热，在后续使用过程中，受到轴向的拉力而变形。

断裂螺栓及变形螺帽的金相组织为粗大的贝氏体，且晶粒度级别已经达到需要更换的条件，金相组织不合格是导致其断裂的主要原因。

4 结语

对同批次同厂家及相同运行温度的螺栓提高检测的比例，发现外观变形、有开裂的螺栓应予以更换，对于焊接而成的螺栓螺帽连接件，应换成一次加工成型的。检修时，对螺栓进行周期性抽检，发现硬度或金相组织不合格应及时更换，或对组织不合格螺栓重新热处理。