汽轮机主汽门螺栓断裂失效分析

2024-01-11吴旭炜

设备管理与维修 2023年21期

关键词：粗晶紧固件氏硬度

陈树，吴旭炜

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

某电厂3#机组B 侧主汽门双头螺栓在使用中发生断裂，螺栓规格为M64×3 mm，中心带孔，长度为410 mm，材料为20Cr1Mo1VnbTiB，工作温度为535 ℃，断裂位置位于一侧螺纹第一牙处。

1 试验检验

1.1 宏观分析

1.1.1 宏观检验

断裂螺栓试样断面宏观形貌如图1 所示，可见断面整体氧化及磨损较严重，并附着有熔化后的金属液，上面密布的圆形凸起可能是由于拆卸断裂螺栓时火花飞溅引起的。根据断面形貌分布的情况，可将其分为A、B、C 三个区域。其中，A 区域呈流线型，有明显的边界，略凹陷于主断面，推测为疲劳开裂起始区；B 区域较平坦，基本没有起伏，分布有较多的沙滩状条纹，并且垂直于疲劳扩展方向分布，面积占比最大，应为疲劳扩展区；C区域有明显撕裂棱，在与B 区交界处可见撕裂台阶，在断面边缘处伴有剪切唇形貌，整体走势分布较陡，为最终快速破坏区。

图1 螺栓断面宏观形貌

1.1.2 低倍检验

断裂螺栓来样外观如图2所示，断裂部位为右侧螺纹第一牙处。在靠近螺栓断面处截取一段试样进行试验分析。

图2 断裂位置和取样位置

使用20%硝酸溶液浸蚀后，截面低倍组织形貌如图3 所示。可见整个截面中心及边缘均分布有异常粗大的晶粒组织，呈白亮色，如箭头所指。根据DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中规定：如果低倍组织为混晶，当宏观粗晶或套晶的面积大于5%时，应按照宏观粗晶或套晶评定。图3 所示为明显的混晶结构，而且宏观粗晶或套晶的面积大于5%，所以按标准以宏观粗晶或套晶对其进行评定[1]。

图3 截面低倍组织形貌（经20%硝酸溶液浸蚀）

1.2 光谱分析

在来样上截取试样进行光谱分析，结果见表1。对比DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VNbTiB 的化学成分标准数据，该螺栓化学成分符合要求[1]。

表1 光谱分析试验数据 wt%

1.3 力学性能试验

1.3.1 室温冲击试验

在来样1/2 半径处取3 件纵向室温冲击试样，开U 形缺口，对其进行室温冲击试验，试验结果见表2。对比DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VNbTiB 的冲击标准数据，材料的冲击性能远低于要求值[1]。

表2 室温冲击试验数据

1.3.2 布氏硬度检测

在来样心部进行布氏硬度测试，测试结果见表3。对比DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VNbTiB 的布氏硬度标准数据，材料的布氏硬度值符合要求[1]。

表3 布氏硬度测试数据

1.4 金相检测

标准要求在已经进行过低倍组织检验的端面上，选取有代表性的部位进行微观组织检验，外表面低倍形貌如图4 所示，可见试样外表面覆盖有一层较均匀的氧化层，厚约0.2 mm，外表面较平整，未发现明显的腐蚀或损伤痕迹。

图4 外表面低倍形貌

观察粗晶区组织，可以发现存在较多粗大晶粒（图5），且晶粒晶界清晰，尺寸大于GB/T 6394—2017 规定的00 级。放大后可见其组织为贝氏体+铁素体，粗大贝氏体呈交错排列，中间夹杂部分铁素体，为脆性组织（图6）。不符合标准对于套晶的定义：低倍组织为宏观粗晶，而实际晶粒大小为微观细晶，即在一个宏观粗晶中包含许多细小的晶粒。因此根据DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》，晶粒分级可评为非套晶结构2 级，即宏观粗晶。

图5 粗晶区形貌（100×）

粗晶与细晶交界处形貌见图7，可见图片上半部分为粗晶区、下半部分为细晶区，二者界线明显。

观察细晶区组织，放大后组织形貌见图8，组织为细晶状贝氏体。根据DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》，晶粒分级可评为非套晶结构5 级，即微观细晶。

图8 细晶区组织形貌（500×）

故材料不符合DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》的要求：组织不应存在套晶结构，非套晶结构5 级合格[1-3]。

1.5 扫描电镜分析

对断口进行扫描电镜分析，断口起始区低倍形貌见图9，其右下方为起始区，与左上方的扩展区有明显的界线，起始区靠近外表面处不太平整，颜色较深，为先期破坏长期氧化所致。断口扩展区疲劳条带见图10，可见此处疲劳条带平行分布，间距较均匀，处于快速扩展阶段，表明该断口的破坏形式为交变载荷作用下的疲劳断裂。

图10 断口扩展区疲劳条带形貌（SEI）

1.6 试验总结

由宏观分析可知，螺栓整体存在混晶现象，其中，大多数为细晶区，少数粗晶区呈弥散分布；断面起始于螺栓一侧边缘，呈疲劳破坏形态。根据化学分析的结果可知，材料符合20Cr1Mo1VNbTiB的成分要求。根据力学性能结果可知，材料的布氏硬度值数值符合要求值，而冲击性能远低于要求值。根据金相分析的结果可知，材料的粗晶与细晶的晶粒度及组织差异很大，粗晶中的组织包含脆性相。由扫描电镜分析结果可知，该断口的破坏形式为交变载荷作用下的疲劳断裂。

2 建议

对于20Cr1Mo1VNbTiB 的热处理要求相对较高，一旦温度及时间控制不当，很容易产生局部大片粗晶，严重影响材料的韧性，极大地增加开裂的风险。因此，对于该材料螺栓的质量检验尤为重要，建议加强对同批次或相同位置螺栓的监督和检验，至少抽取20%数量的螺栓进行金相组织检验，在螺栓端面进行晶粒度级别检验，不应存在套晶，非套晶结构应为5 级。对于新螺栓，有条件的话可以进行100%检验[1-3]。