300 MW汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸螺栓斷裂原因分析

梁紅芳，鄭相鋒，冀彥昭，郝曉軍，康永勝

(1.河北省電力建設(shè)第一工程公司，石家莊　050400;2.國(guó)電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心，北京　102209;3.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊　050400)

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300 MW汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸螺栓斷裂原因分析

梁紅芳1，鄭相鋒2，冀彥昭3，郝曉軍2，康永勝3

(1.河北省電力建設(shè)第一工程公司，石家莊050400;2.國(guó)電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心，北京102209;3.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊050400)

摘要：針對(duì)某電廠300 MW汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸高溫螺栓斷裂情況，采用宏觀分析、化學(xué)分析、力學(xué)分析、金相分析、電鏡分析等方法進(jìn)行斷裂原因分析，認(rèn)為螺栓服役時(shí)間過長(zhǎng)造成材質(zhì)脆性增加是螺栓在運(yùn)行中發(fā)生斷裂的主要原因，并提出相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：300 MW汽輪機(jī)；高溫螺栓；20Cr1Mo1VTiB；斷裂

1故障情況

某電廠300 MW汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠制造，型號(hào)為N300-16.7/538/538,亞臨界、一次中間再熱、單軸雙缸雙排汽、反動(dòng)式汽輪機(jī)。該汽輪機(jī)的中壓內(nèi)缸螺栓規(guī)格為M48 mm×630 mm，材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB(爭(zhēng)氣2號(hào)鋼)。該螺栓是栽絲螺栓，即上螺紋與上缸螺帽連接，下螺紋直接擰在下缸上。自投入運(yùn)行至2014年12月25日A級(jí)檢修，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約115 000 h。

高溫螺栓拆卸通常采用加熱法使螺栓伸長(zhǎng)、緊力下降，再用適當(dāng)?shù)牧匕馐謥?lái)回活動(dòng)上缸的螺母，并通過敲振使螺母松動(dòng)并拆除，然后起吊移除上缸，最后用扳手和鐵錘將栽絲螺栓擰下。拆卸期間發(fā)現(xiàn)中壓內(nèi)缸編號(hào)為C9813和C9815高溫螺栓斷裂。為找出高溫螺栓斷裂原因，選取C9813中壓內(nèi)缸螺栓進(jìn)行分析。

2故障原因分析

2.1宏觀分析

螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示，可見斷口齊整，沒有明顯的塑性變形，裂紋是由螺栓的一側(cè)啟裂并向?qū)?cè)擴(kuò)展，啟裂區(qū)位于螺紋應(yīng)力集中處，該位置對(duì)蠕變和沖擊載荷敏感。裂紋從一側(cè)向?qū)?cè)擴(kuò)展說明螺栓沿表面受力不均勻。在體視顯微鏡下可以看到斷口表面有氣流吹損的痕跡，說明斷口是在運(yùn)行過程中發(fā)生的。如果采用大力錘擊的方法冷態(tài)拆卸螺栓，斷口會(huì)有鋒利的斷面以及扭轉(zhuǎn)受力形成的紋理，但從斷口中未發(fā)現(xiàn)類似的痕跡。

2.2化學(xué)分析

距C9813螺栓斷面56 mm處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果符合DL/T 439-2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中20Cr1Mo1VTiB材質(zhì)的要求，結(jié)果詳見表1。

圖1　C9813螺栓斷口宏觀形貌

表1化學(xué)成分分析%

項(xiàng)目ω(C)ω(Si)ω(Mn)ω(S)ω(P)-螺栓試樣0.220.410.540.0020.014-標(biāo)準(zhǔn)要求0.17～0.230.40～0.600.40～0.60≤0.025≤0.025-項(xiàng)目ω(Cr)ω(Mo)ω(V)ω(Ti)ω(Ni)ω(Cu)螺栓試樣1.150.770.510.280.090.07標(biāo)準(zhǔn)要求0.90～1.300.75～1.000.45～0.650.16～0.28≤0.30≤0.25

2.3力學(xué)分析

距C9813螺栓斷面200 mm處取樣進(jìn)行力學(xué)分析，分析結(jié)果顯示拉伸性能符合DL/T 439-2006中20Cr1Mo1VTiB材質(zhì)的要求，結(jié)果詳見表2。

表2力學(xué)性能分析

檢驗(yàn)項(xiàng)目屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa延伸率A/%斷面收縮率Z/%力學(xué)性能751/754/755857/853/85718/17/1752.5/53/54標(biāo)準(zhǔn)要求≥685≥785≥14≥50

2.4硬度分析

距C9813螺栓斷面25 mm處取樣進(jìn)行布氏硬度和顯微維氏硬度分析，其中顯微維氏硬度已轉(zhuǎn)換為布氏硬度。檢測(cè)結(jié)果表明其部分值低于DL/T 439-2006中20Cr1Mo1VTiB材質(zhì)的要求，結(jié)果詳見表3。

表3布氏硬度分析

檢驗(yàn)位置測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4平均值布氏硬度C9813244259250254252顯微硬度C9813(轉(zhuǎn)換為HB)252266265257260標(biāo)準(zhǔn)要求HB255～293

2.5沖擊韌性分析

距C9813螺栓斷面55 mm處取樣進(jìn)行U型沖擊韌性分析，沖擊試樣規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm，分析結(jié)果見表4，其中試樣測(cè)試結(jié)果低于DL/T 439-2006中20Cr1Mo1VTiB材質(zhì)大于等于39 J的要求。

表4沖擊韌性分析J

試樣編號(hào)沖擊試樣1沖擊試樣2沖擊試樣3沖擊試樣4力學(xué)性能32373836試樣編號(hào)沖擊試樣5沖擊試樣6沖擊試樣7-力學(xué)性能363138-

2.6金相分析

距C9813螺栓斷面10 mm處進(jìn)行微觀金相分析，如圖2所示。其中金相組織為典型的回火貝氏體，貝氏體花紋明顯，組織正常，晶粒度5-6級(jí)，未見宏觀粗晶。

圖2　C9813螺栓顯微組織圖

2.7電鏡分析

對(duì)C9813螺栓金相試樣和斷面進(jìn)行電鏡分析，圖3為金相試樣的電鏡照片，可以看出部分碳化物析出，但無(wú)明顯聚集和長(zhǎng)大現(xiàn)象。圖4為螺栓斷口電鏡照片，可以看出斷裂面生長(zhǎng)了氧化物，氧化物表面沒有被碾壓和摩擦痕跡，說明斷面在高溫蒸汽環(huán)境中存在了較長(zhǎng)的時(shí)間，即斷裂是在運(yùn)行過程中發(fā)生。

圖3　螺栓金相試樣電鏡照片

3綜合分析

宏觀分析表明，該螺栓是由于外界不平衡力的作用發(fā)生斷裂。斷面無(wú)塑性變形，

圖4　螺栓斷面電鏡照片

可以推測(cè)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，爭(zhēng)氣2號(hào)鋼材料脆性增加，抗疲勞和蠕變能力下降，在螺栓受力不均勻的情況下，應(yīng)力集中部位出現(xiàn)裂紋并向?qū)?cè)迅速擴(kuò)展。個(gè)別布氏硬度和沖擊韌性低于標(biāo)準(zhǔn)值，也證明了該材質(zhì)在預(yù)緊力和長(zhǎng)時(shí)高溫運(yùn)行后發(fā)生了脆性轉(zhuǎn)變?；瘜W(xué)、金相和抗拉強(qiáng)度分析結(jié)果合格，表明螺栓初始狀態(tài)符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。電鏡分析結(jié)果表明，螺栓斷裂面在高溫運(yùn)行的條件下，表面生長(zhǎng)大量氧化皮，斷裂后2個(gè)斷裂面在預(yù)緊力的作用下迅速分離，導(dǎo)致斷裂面氧化皮表面尖銳，未見相對(duì)研磨后的扁平形狀。綜合分析認(rèn)為，螺栓服役時(shí)間過長(zhǎng)造成材質(zhì)脆性增加，是螺栓在這行中發(fā)生斷裂的主要原因。

4結(jié)論及建議

中壓內(nèi)缸螺栓斷裂發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行期間，高溫運(yùn)行后的高溫脆性是高溫螺栓斷裂的內(nèi)因，不平衡力是斷裂的外因。為減少該類事故的發(fā)生，建議電廠對(duì)同一批次螺栓進(jìn)行布氏硬度普查，低于標(biāo)準(zhǔn)值的應(yīng)及時(shí)更換。另外，對(duì)汽缸典型部位處的螺栓進(jìn)行破壞性的沖擊試驗(yàn)抽查，為同類型機(jī)組的爭(zhēng)氣2號(hào)鋼高溫螺栓更換提供依據(jù)。

本文責(zé)任編輯：谷麗娜

Failure Analysis on Intermediate Pressure Inner Cylinder ofSteam-turbine for 300 MW Power Plant

Liang Hongfang1, Zheng Xiangfeng2,Ji Yanzhao3,Hao Xiaojun2,Kang Yongsheng3

(1.Hebei Power Construction First Company,Shijiazhuang 050400,China;2.Guodian Boiler Stress Test Center,Beijing 102209,China;3.Hebei Xibaipo Power Ltd.,Co. Shijiazhuang 050400,China)

Abstract:Aiming at intermediate pressure inner cylinder of steam-turbine for 300 MW power plant through microscope analysis,mechanical analysis,chemical analysis,metallography examination and scanning electron microscope etc,the causes resulting in fracture of high temperature bolt in intermediate pressure inner cylinder of steam-turbine for 300 MW power plant are analyzed.The result indicates the internal cause was the brittleness of high temperature bolt increasing with service time and broke in the operation.

Key words:300 MW steam-turbine;high temperature bolt;20Cr1Mo1VTiB;fracture

收稿日期：2016-04-01

作者簡(jiǎn)介：梁紅芳(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電站材料金屬焊接及管理培訓(xùn)工作。

中圖分類號(hào)：TK263.3;TK264.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1001-9898(2016)03-0042-02