某300 MW機(jī)組汽輪機(jī)高壓調(diào)門(mén)螺栓斷裂失效分析

程 翔， 王若民， 陳國(guó)宏， 宋理彬

(1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司， 安徽 合肥 230601； 2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601； 3.安徽池州九華發(fā)電有限公司， 安徽 池州 247100)

0 引言

汽輪機(jī)作為火電機(jī)組的核心部件之一，其正常運(yùn)行決定著機(jī)組的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。而汽輪機(jī)中的高壓調(diào)門(mén)螺栓作為其緊固件，在保證汽缸中分面氣密性上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，20Cr1Mo1VTiB鋼作為國(guó)產(chǎn)高溫螺栓用鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能，然而近幾年來(lái)，20Cr1Mo1VTiB高溫螺栓的斷裂事件常有發(fā)生，相關(guān)研究人員對(duì)20Cr1Mo1VTiB高溫螺栓斷裂失效分析做了大量的研究工作[1～3]。近年來(lái)因高壓調(diào)門(mén)螺栓斷裂失效而引起機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的事故時(shí)有發(fā)生，從而給廠方帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失，因而研究高壓調(diào)門(mén)螺栓斷裂失效原因有利于廠方有效預(yù)防其事故發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失。本文針對(duì)某300MW機(jī)組汽輪機(jī)高壓調(diào)門(mén)用20Cr1Mo1VTiB螺栓的斷裂原因進(jìn)行研究，并在備品中隨機(jī)選取1只相同材質(zhì)螺栓對(duì)比試驗(yàn)分析，研究其斷裂原因及機(jī)理。

1 宏觀檢查

該高壓調(diào)門(mén)螺栓是在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂的，螺栓材料為20Cr1Mo1VTiB，規(guī)格為M33×248 mm，該機(jī)組累計(jì)運(yùn)行8萬(wàn)個(gè)小時(shí)，已經(jīng)歷3個(gè)A級(jí)檢修，其高壓調(diào)門(mén)螺栓未曾更換。對(duì)斷裂螺栓(2根，分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào))及備品螺栓(1根，編號(hào)為3號(hào))進(jìn)行宏觀檢查，備品螺栓外觀正常，無(wú)碰傷痕跡，斷裂螺栓的宏觀及斷口照片如圖1所示：

(a為1號(hào)螺栓，b為2號(hào)螺栓)圖1 斷裂螺栓的宏觀及斷口形貌圖片

從圖中可以看出，1號(hào)、2號(hào)螺栓表面存在有一定程度的氧化及傷痕，2根螺栓的斷裂位置基本相同，均在螺栓一端的第一條牙絲槽附近發(fā)生斷裂。從螺栓的斷口形貌觀察，斷口形貌特征基本相同，都由三部分組成，即：裂紋的萌生區(qū)(1區(qū))、裂紋的擴(kuò)展區(qū)(2區(qū))、瞬時(shí)斷裂區(qū)(3區(qū))。且這三部分在螺栓斷口上的位置、走勢(shì)及所占區(qū)域的大小比例也是相似的。裂紋的萌生區(qū)位于螺栓的表面層，即斷口的疲勞花樣放射源的中心點(diǎn)附近區(qū)域，表面層范圍較大，約占螺栓外圓周的60%左右，該處由于應(yīng)力交變，斷面摩擦而光亮，存在有加工硬化，隨著應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力大小的不同，從而存在一處或者多處萌生裂紋。

裂紋的擴(kuò)展區(qū)為圖中的“疲勞輝紋區(qū)”，也稱“沙灘花樣區(qū)”或“貝殼條紋區(qū)”，是裂紋在應(yīng)力作用下擴(kuò)展留下的痕跡，當(dāng)微裂紋在螺栓的表面層形成后，即會(huì)立即進(jìn)入擴(kuò)展階段，一是其沿著最大剪切應(yīng)力的滑移平面向前擴(kuò)展，這使得其表面存在有很多的微裂紋，同時(shí)這些裂紋的大多數(shù)較早地停止了擴(kuò)展，只有少數(shù)的幾個(gè)可以延伸起來(lái)，但擴(kuò)展速率比較緩慢；隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，裂紋的擴(kuò)展方向轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力方向垂直，這時(shí)通常只有一個(gè)裂紋在擴(kuò)展。微裂紋可以由于裂紋的萌生和擴(kuò)展是在漫長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的。當(dāng)截面剩余面積小到不足以承受負(fù)荷時(shí)，即發(fā)生瞬時(shí)斷裂。3區(qū)域即為瞬時(shí)斷裂區(qū),分析說(shuō)明螺栓的斷裂方式及失效原因是相同的，都屬于低負(fù)荷疲勞斷裂。

2 化學(xué)成分分析

用全定量光譜儀對(duì)螺栓化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)分析，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，從表中可以看出，斷裂螺栓及備品螺栓的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)值[4]范圍。

表1 螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%)

3 金相檢驗(yàn)

20Cr1Mo1VTiB為貝氏體型熱強(qiáng)鋼，其正常金相組織為：回火索氏體+少量碳化物、氮化物、硼化物及金屬間化合物。碳化物中的VC主要彌散分布在基體內(nèi)，棒狀的TiC沿晶分布，同時(shí)Cr、Mo等合金元素以金屬間化合物的形式固溶在基體中。

依據(jù)DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)，截取斷面附近的樣品，磨制拋光，采用3%硝酸酒精溶液腐蝕，置于德國(guó) Axio-observer AIM 金相顯微鏡下觀察，下圖所示為螺栓的拋光態(tài)圖片和金相組織圖片。

(a.1號(hào)螺栓拋光態(tài)100×；b.2號(hào)螺栓拋光態(tài)100×；c.1號(hào)螺栓金相組織1000×；d.2號(hào)螺栓金相組織1000×；e.3號(hào)螺栓金相組織1000×)圖2 螺栓的拋光態(tài)和金相組織照片

從圖2中觀察，圖2-a，2-b分別為1號(hào)、2號(hào)螺栓拋光態(tài)下的低倍組織照片，這兩只斷裂螺栓低倍組織較均勻，夾雜物含量少，其夾雜物等級(jí)符合GB/T 20410-2006《渦輪機(jī)高溫螺栓用鋼》中對(duì)于20Cr1Mo1VTiB材質(zhì)非金屬夾雜物的規(guī)定。

圖2-a，2-b，2-c分別為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)螺栓(1000倍下)的金相組織照片，金相組織均為回火索氏體組織，基體中均分布有碳化物。其中1號(hào)、2號(hào)螺栓金相組織的晶界上及基體中析出顆粒狀碳化物，3號(hào)螺柱金相組織的晶界上碳化物極少，基體中存在有碳化物，對(duì)比可以看出，1號(hào)、2號(hào)螺栓金相組織基體中及晶界上的碳化物的尺寸及數(shù)量均大于3號(hào)螺栓的。

4 硬度檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 231.1-2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分試驗(yàn)方法》[5]對(duì)螺栓的硬度進(jìn)行試驗(yàn)，采用TBH-3000MDX型布氏硬度計(jì)在金相試樣表面進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：負(fù)荷187.5 kgf、鋼球直徑2.5 mm、負(fù)荷保持時(shí)間15 s，試驗(yàn)三次，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出，1號(hào)、2號(hào)螺栓的硬度值相當(dāng)，但均小于3號(hào)螺栓的硬度值，同時(shí)3只螺栓的硬度值均在標(biāo)準(zhǔn)[6]中對(duì)該材質(zhì)螺栓規(guī)定的硬度值范圍。

表2 螺栓的布氏硬度、力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

5 力學(xué)性能檢驗(yàn)

按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[7]相關(guān)要求，沿螺栓縱向采用線切割的方式加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，在JB-300C 型沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試材料的沖擊性能，試驗(yàn)三次，結(jié)果取平均值，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出，1號(hào)螺栓的沖擊吸收能量為30.4J，2號(hào)螺栓的沖擊吸收能量為30.0J，兩者的數(shù)值均小于標(biāo)準(zhǔn)[6]中對(duì)該材質(zhì)螺栓所規(guī)定值的最小值，不滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該材質(zhì)螺栓的要求。備品螺栓3號(hào)的沖擊吸收能量為45.2J，大于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該材質(zhì)螺栓所規(guī)定值的最小值，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該材質(zhì)螺栓的要求。

對(duì)其拉伸力學(xué)性能進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，將測(cè)試試樣預(yù)先加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣[8]，使用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，每類樣品試驗(yàn)三次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，測(cè)得拉伸性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表中可以看出，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)螺栓的抗拉強(qiáng)度Rm、斷后延長(zhǎng)率A等數(shù)值均大于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)材質(zhì)螺栓所規(guī)定的最小值，滿足標(biāo)準(zhǔn)[6]對(duì)該材質(zhì)螺栓的要求。

6 結(jié)果及討論

通過(guò)對(duì)斷裂的1號(hào)、2號(hào)螺栓及備品3號(hào)螺栓經(jīng)過(guò)分析與檢測(cè)工作，螺栓金相組織均為回火索氏體組織，金相組織中無(wú)明顯夾雜物分布，對(duì)比分析，1號(hào)、2號(hào)螺栓(斷裂螺栓)金相組織中晶界及基體中的碳化物的含量及尺寸均大于3號(hào)螺栓(備品螺栓)，3號(hào)螺栓金相組織中的碳化物分布、數(shù)量及大小均正常，碳化物的大量析出預(yù)示著組織出現(xiàn)一定程度的老化現(xiàn)象，該1號(hào)、2號(hào)螺栓均已累計(jì)運(yùn)行了8萬(wàn)個(gè)小時(shí)，其組織存在有一定程度的老化現(xiàn)象。硬度方面，3只螺栓的硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該材質(zhì)螺栓的規(guī)定要求，斷裂螺栓的硬度值小于備品螺栓的硬度值。沖擊性能方面，1號(hào)螺栓、2號(hào)螺栓(斷裂螺栓)的沖擊吸收能量值不滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該材質(zhì)螺栓的要求，由于這兩只螺栓組織存在一定程度的老化，碳化物的析出及金相組織粗大，從而導(dǎo)致沖擊韌性下降。拉伸性能方面，3只螺栓的抗拉強(qiáng)度Rm、斷后延長(zhǎng)率A等數(shù)值均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該材質(zhì)螺栓的要求，但同時(shí)1號(hào)、2號(hào)螺栓的抗拉強(qiáng)度Rm、斷后延長(zhǎng)率A數(shù)值小于3號(hào)螺栓，斷裂螺栓的拉伸性能低于備品螺栓。

螺栓的應(yīng)力是不均勻分布的，緊力由螺栓通過(guò)螺紋逐漸傳遞給螺母，靠近螺母支承面的第1圈螺栓所承受的載荷最大(最大值約占全部載荷的50%左右)，其中第1圈到第3圈發(fā)生斷裂的可能性最大[9,10]。從螺栓斷裂斷口形貌來(lái)看，該螺栓屬于低負(fù)荷、拉伸疲勞斷裂。從材料的金相分析可知，高溫服役過(guò)程中，材料內(nèi)部的滲碳體和低熔點(diǎn)的碳化物脫碳分解，強(qiáng)化合金元素向晶界聚集碳化并與高熔點(diǎn)的碳化物聚合在一起，形成脆性相；在拉伸應(yīng)力的作用下，裂紋最先在螺栓近表面存在缺陷處萌生，然后沿晶界擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到剩余截面積不足以承受外加載荷時(shí)發(fā)生瞬時(shí)斷裂。因此，引起螺栓斷裂的原因是螺栓脆化后在螺牙處應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞斷裂。