汽輪機(jī)組閥蓋緊固螺栓斷裂失效分析

　　摘要：采用宏觀形貌和顯微組織觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試和沖擊斷口微觀形貌觀察等方法，對(duì)某電廠(chǎng) 4 號(hào)汽輪機(jī)組中壓調(diào)節(jié)閥閥蓋用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓的斷裂原因進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明，螺栓斷裂的原因主要與長(zhǎng)時(shí)高溫運(yùn)行引起的蠕變損傷有關(guān)。 螺栓的許用工作溫度(570 ℃ )僅略高于汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)溫度(566 ℃ )，裕度存在不足，且螺母端第一扣螺紋牙底處的應(yīng)力集中程度較高，在長(zhǎng)期高溫和低速率應(yīng)力集中的共同作用下形成蠕變孔洞，沖擊性能逐漸下降，并最終引發(fā)蠕變損傷斷裂。 據(jù)此，建議對(duì)中壓調(diào)節(jié)閥緊固螺栓及相應(yīng)的墊圈材料配套進(jìn)行等級(jí)升級(jí)。

　　鄭建軍; 樊子銘; 劉孝; 喬欣; 高云鵬， 金屬熱處理 發(fā)表時(shí)間：2021-10-25

　　關(guān)鍵詞：20Cr1Mo1VTiB 鋼;緊固螺栓;斷裂;蠕變損傷;沖擊性能

　　汽輪機(jī)作為火力發(fā)電機(jī)組的核心部分之一，其安全穩(wěn)定性對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行起著不可替代的重要作用[1]。通常情況下，為了更好地適應(yīng)高溫、高應(yīng)力及蒸汽氧化腐蝕的工作環(huán)境，汽輪機(jī)組各部位會(huì)采用奧氏體不銹鋼、高溫合金鋼等緊固螺栓進(jìn)行連接。 因此，作為汽輪機(jī)組的關(guān)鍵連接部件，高溫緊固螺栓的運(yùn)行性能對(duì)于汽缸中分面的氣密性而言極其重要[2]。 但是，隨著高溫螺栓在火力發(fā)電廠(chǎng)的廣泛使用，因其失效斷裂而導(dǎo)致的非計(jì)劃停運(yùn)的事故呈逐年上升的趨勢(shì)[3?5]。

　　某電廠(chǎng) 4 號(hào)汽輪機(jī)組于 2011 年投產(chǎn)運(yùn)行，型號(hào)為CZK350 / 320?24. 2 / 0. 4 / 566 / 566，屬于超臨界、中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、直接空冷、采暖供熱抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。 2020 年 7 月 31 日，電廠(chǎng)檢修人員在對(duì)其中壓調(diào)速門(mén)進(jìn)行解體時(shí)，發(fā)現(xiàn) 20 余根氣閥閥蓋緊固螺栓發(fā)生斷裂。 斷裂的緊固螺栓型號(hào)為 M33 mm ×273 mm，材質(zhì)為 20Cr1Mo1VTiB 鋼。 為了確定螺栓的失效原因，本文采用宏觀形貌與微觀組織觀察分析、力學(xué)性能測(cè)試、斷口形貌觀察等方法，針對(duì)中壓調(diào)速汽閥閥蓋用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓的斷裂機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)改善措施，以避免類(lèi)似事故再次發(fā)生。

　　1 試驗(yàn)材料及方法

　　試驗(yàn)材料為斷裂失效的組中壓調(diào)速汽閥閥蓋用20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓。 采用 SPECZROMAXx 型臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，確定化學(xué)成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求;采用 Axio Observer. Alm 型光學(xué)顯微鏡對(duì)其進(jìn)行顯微組織觀察及分析，確定顯微組織是否 正 常; 采 用 ZBC?300B 型 數(shù) 字 式 沖 擊 試 驗(yàn) 機(jī)、THBC?3000DA 型圖像處理式布氏硬度計(jì)及 CMT5305電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)其螺桿部位進(jìn)行硬度測(cè)量、室溫沖擊及室溫拉伸試驗(yàn)，確定其力學(xué)性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求;采用 HITACHIS?3700N 型掃描電鏡( SEM) 對(duì)沖擊斷口形貌進(jìn)行觀察分析，進(jìn)一步確定斷裂機(jī)理和失效方式。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2. 1 化學(xué)成分分析

　　經(jīng)過(guò)直讀光譜儀檢測(cè)，斷裂失效的中壓調(diào)節(jié)閥閥蓋用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓的化學(xué)成分如表 1 所示，符合 DL / T 439—2018《火力發(fā)電廠(chǎng)高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)的要求，排除材質(zhì)錯(cuò)用問(wèn)題。

　　2. 2 宏觀形貌分析

　　中壓調(diào)速汽閥閥蓋共裝有 30 根螺栓，拆解時(shí)發(fā)現(xiàn)其中 20 根完全斷裂，剩余 10 根已無(wú)法正常取出，如圖 1(a) 所示。 對(duì)斷裂的 20 根緊固螺栓進(jìn)行宏觀形貌觀察后可以發(fā)現(xiàn)，所有螺栓的斷口表面均存在明顯的高溫氧化銹層，大多數(shù)的螺栓均斷裂于螺母端第一扣螺紋牙底處，且存在 3 種不同類(lèi)型的宏觀斷口形貌：第 1類(lèi)斷口的斷面較平整，具有明顯的脆性開(kāi)裂特征，并且可以清 晰 地 觀 察 到 啟 裂 區(qū)、 擴(kuò) 展 區(qū) 及 瞬 斷 區(qū) ( 如圖 1(b) 所示)，具有該類(lèi)斷口特征的螺栓共計(jì) 13 根;第 2 類(lèi)斷口的斷面凹凸不平，呈明顯的撕裂特征(如圖 1(c) 所示)，具有該類(lèi)斷口特征的螺栓共計(jì)3 根;第3類(lèi)斷口附近螺桿存在明顯頸縮現(xiàn)象，為典型的塑性斷口，并且在斷面可以觀察到纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇(如圖 1(d)所示)，具有該類(lèi)斷口特征的螺栓共計(jì) 4 根。

　　2. 3 顯微組織分析

　　根據(jù)宏觀斷口形貌，從 3 種斷口類(lèi)型的螺栓中各取 1 支進(jìn)行顯微組織觀察(遠(yuǎn)離斷口處)，如圖 2 所示。 由圖 2(a ～ c)可以看出，3 種螺栓的基體組織均為細(xì)晶粒狀貝氏體，局部區(qū)域還可以觀察到尺寸較大的菱形、橢圓形等第二相析出物，未見(jiàn)粗大晶粒或黑色網(wǎng)狀晶界等異常。 值得注意的是，第 1 類(lèi)螺栓的基體組織略粗大(如圖 2( d)所示)，貝氏體以板條狀結(jié)構(gòu)為主，而第 3 類(lèi)螺栓的基體組織較細(xì)小(如圖 2( f)所示)，貝氏體主要為細(xì)晶狀。

　　選取具有代表性的第 1 類(lèi)和第 3 類(lèi)螺栓，用電火花線(xiàn)切割機(jī)將其斷面沿軸向切開(kāi)，然后對(duì)斷口啟裂區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖 3 所示。 從圖 3(a，c)可以看出，兩組螺栓的斷口尖端均存在大量的沿晶蠕變孔洞，表明兩組螺栓的斷裂部位在斷裂前處于長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱狀態(tài)。 此外，與圖 2(d， f)所示遠(yuǎn)離斷口處的相比，斷口附近區(qū)域的基體內(nèi)析出了大量的碳化物，組織均已明顯老化，如圖 3(b， d)所示。

　　2. 4 力學(xué)性能分析

　　第 1 類(lèi)和第 3 類(lèi)螺栓遠(yuǎn)離斷口位置的螺桿部位的力學(xué)性能如表 2 所示，可以看出，兩類(lèi)螺栓的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊性能及硬度均符合 DL / T439—2018《火力發(fā)電廠(chǎng)高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)的要求。 但是第 1 類(lèi)螺栓的沖擊吸收能量?jī)H略高于標(biāo)準(zhǔn)值，存在沖擊吸收能量余量不足問(wèn)題。

　　2. 5 沖擊斷口分析

　　圖 4 為第 1 類(lèi)和第 3 類(lèi)螺栓的沖擊斷口形貌。 由圖 4(a)可以觀察到，第 1 類(lèi)螺栓的沖擊斷口主要以準(zhǔn)解理形貌為主，并且還可以觀察到一些二次裂紋，具有典型的脆性斷裂特征，這主要與該螺栓的塑韌性偏低有關(guān)。 第 3 類(lèi)螺栓的沖擊斷口以準(zhǔn)解理斷面 + 少量韌窩為主。 這是由于第 3 類(lèi)螺栓的晶粒尺寸更細(xì)小，因此其所產(chǎn)生的解理面明顯小于第 1 類(lèi)螺栓，這也與顯微組織觀察的結(jié)果相符。

　　3 討論

　　結(jié)合拆解現(xiàn)場(chǎng)情況及螺栓宏觀形貌觀察結(jié)果可知，20 根斷裂的螺栓中有 13 根具有脆性斷口，說(shuō)明脆性斷裂是造成此次中壓調(diào)節(jié)閥緊固螺栓斷裂的主要原因。 結(jié)合顯微組織的觀察結(jié)果不難看出，螺栓在發(fā)生脆 性 斷 裂 前 存 在 長(zhǎng) 期 的 超 溫 過(guò) 熱 現(xiàn) 象。20Cr1Mo1VTiB 鋼作為一種高溫?zé)釓?qiáng)鋼，其設(shè)計(jì)工作溫度通 常 可 達(dá) 570 ℃ [6]。 在 許 用 工 作 溫 度 以 下，20Cr1Mo1VTiB 鋼螺栓擁有優(yōu)良的持久強(qiáng)度和抗松弛性能，且熱脆傾向小，缺口敏感性低。 本研究中，4 號(hào)汽 輪 機(jī) 組 的 設(shè) 計(jì) 溫 度 為 566 ℃ ， 可 見(jiàn) 選 用20Cr1Mo1VTiB 鋼材質(zhì)的螺栓作為緊固部件剛好滿(mǎn)足汽輪機(jī)組的使用要求，但是裕度不足。 這勢(shì)必會(huì)造成中壓調(diào)節(jié)閥緊固螺栓長(zhǎng)期在超出許用工作溫度的條件下運(yùn)行。 加之中壓調(diào)節(jié)閥緊固螺栓的斷裂位置均為螺母端第一扣螺紋牙底處，該部位存在較高程度的應(yīng)力集中[7?9]。 金屬材料在長(zhǎng)期超過(guò)其許用工作溫度的高溫環(huán)境和低速率應(yīng)力集中共同作用下會(huì)不斷引發(fā)蠕變老化，并逐漸沿晶界處形成不規(guī)則孔洞，進(jìn)而造成蠕變損傷[10]。 已有研究表明，蠕變損傷通常與材料內(nèi)部微孔洞或微裂紋的合并和長(zhǎng)大有關(guān)[11?12]。 蠕變損傷的定義公式為[13]：D = SD/ S (1)式中：SD為孔洞的面積，S 為公稱(chēng)截面積。 由公式(1)可知，隨著孔洞面積的不斷增加，材料基體內(nèi)部的蠕變損傷程度將逐漸加劇，伴隨著蠕變變形的不斷發(fā)展，當(dāng)蠕變損傷累積的一定程度時(shí)將形成宏觀空洞，并最終引發(fā)斷裂。

　　此外，螺栓作為機(jī)組設(shè)計(jì)中的易損件，反復(fù)安裝、安裝應(yīng)力過(guò)大及長(zhǎng)期高溫環(huán)境下運(yùn)行都會(huì)使其自身強(qiáng)度不斷下降，也在一定程度上增加了中壓調(diào)節(jié)閥緊固螺栓蠕變斷裂的幾率。

　　為了增加中壓調(diào)節(jié)閥緊固螺栓的安全裕度，建議提升螺栓等級(jí)，選用許用溫度更高的 R26 型奧氏體不銹鋼螺栓，并對(duì)相應(yīng)的墊圈材料進(jìn)行配套升級(jí)。

　　4 結(jié)論

　　1) 中壓調(diào)節(jié)閥用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓均斷裂于螺母端第一扣螺紋牙底處，且存在 3 種不同類(lèi)型的宏觀斷口形貌，具有脆性斷裂特征的螺栓數(shù)量較多。

　　2) 螺栓的斷裂主要與長(zhǎng)時(shí)高溫環(huán)境下引起的蠕變損傷有關(guān)。 由于長(zhǎng)期高溫和低速率應(yīng)力集中的共同作用，使應(yīng)力集中程度較高的螺母端第一扣螺紋牙底處組織不斷老化，形成蠕變孔洞，導(dǎo)致沖擊性能逐漸下降，最終引發(fā)蠕變損傷斷裂。

　　3) 螺栓的許用工作溫度僅略高于汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)溫度，裕度不足。 為了增加中壓調(diào)節(jié)閥緊固螺栓的安全裕度，建議提升螺栓等級(jí)，選用許用溫度更高的R26 型奧氏體不銹鋼螺栓，并對(duì)相應(yīng)的墊圈材料進(jìn)行配套升級(jí)。