某電廠高中壓缸高溫螺栓斷裂的原因

王芬玲, 王天劍, 李清松, 劉嘉偉, 裴玉冰

(東方汽輪機(jī)有限公司, 德陽 618000)

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，同時也面臨著能源緊缺與環(huán)境污染等問題，提高能源利用率和能量轉(zhuǎn)化效率的最有效手段就是提高裝置的運(yùn)行參數(shù)[1-4]。螺栓作為汽輪機(jī)汽缸、管道法蘭、各種閥門等使用的關(guān)鍵零件，不僅在結(jié)合面上承受著防漏氣所施加的初始預(yù)緊彈性應(yīng)力，還承受著高溫運(yùn)行及機(jī)組啟停過程中產(chǎn)生的各種靜、動應(yīng)力，使螺栓在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)蠕變損傷[5-9]。

某電廠運(yùn)行1.5×105h后，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)，高中壓缸高溫螺栓發(fā)生斷裂。筆者通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、斷口分析、顯微組織觀察和能譜分析等方法，對螺栓斷裂的原因進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該電廠高中壓缸由74支螺栓緊固，采用規(guī)格為φ120 mm×1 530 mm的雙頭螺柱，設(shè)計工作溫度為537 ℃，螺栓材料為20Cr1Mo1VNbTiB鋼。該雙頭螺栓的螺紋長度約為180 mm，螺栓的斷裂位置位于螺紋長90 mm處，如圖1a)所示。由圖1b)可見：螺栓斷口平整，斷口被氧化后呈灰黑色，螺紋斷面垂直于螺栓軸向；從裂紋擴(kuò)展的放射狀條紋特征來看，裂紋源位于外螺紋根部，裂紋從螺栓外表面向心部擴(kuò)展，裂紋源部分區(qū)域因磨損而被破壞，瞬斷區(qū)位于螺栓中心圓孔處。

圖1 螺栓斷裂位置及斷口表面的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology fracture position a) and fracture surface b) of bolt

1.2 力學(xué)性能試驗

斷裂螺栓的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為全面分析斷裂螺栓的力學(xué)性能，在螺栓近斷口處(1號試樣)以及螺柱上(2號試樣)分別截取試樣，進(jìn)行力學(xué)]性能試驗，結(jié)果如表1所示。由表1可見，螺栓不同位置處的室溫拉伸性能、布氏硬度以及沖擊韌性均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊韌性檢測值與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大。

表1 力學(xué)性能檢查結(jié)果Tab.1 Mechanical property test results of titanium tubes at room temperature

1.3 斷口分析

利用掃描電鏡(SEM)觀察螺栓斷口的SEM形貌。由圖2可見：斷口中裂紋源區(qū)域呈準(zhǔn)解理開裂和沿晶開裂的特征，可見明顯的二次裂紋；螺栓裂紋擴(kuò)展區(qū)可見蜂窩狀形貌，在晶界上可見明顯的蠕變孔洞。

圖2 螺栓斷口不同位置處的SEM形貌Fig.2 SEM morphology at different positions of bolt fracture:a) crack source area; b) expansion area

1.4 金相檢驗

在螺栓斷口附近及螺栓螺柱取樣，觀察裂紋的微觀形貌。由圖3可見：在螺栓斷口附近可見沿晶界擴(kuò)展的二次微裂紋以及在螺栓螺柱沿晶界擴(kuò)展的微裂紋。

圖3 斷口附近和螺栓螺柱處裂紋的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of cracks near fracture a) and bolt stud b)

1.5 能譜分析

進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)組織中可見塊狀析出物，其截面呈規(guī)則的四邊形，如圖4所示。對析出物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表2，該析出物主要由碳、氮、鈮、鈦、釩、鐵組成，推測該析出物為氮化物。

圖4 螺栓斷口表面析出物的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of precipitates on the surface of bolt fracture

表2 析出物的能譜分析結(jié)果Tab.2 Energy spectrum analysis results ofprecipitates %

2 分析與討論

該螺栓在570 ℃以下具有較高的抗松弛性能、較高的持久強(qiáng)度和持久韌性，組織穩(wěn)定性好。在工作溫度為500 ℃時，螺栓工作1×105h的持久強(qiáng)度為314 MPa。螺栓在服役過程中所受的工作載荷有以下三種：(1)冷熱緊固應(yīng)力；(2)汽缸溫度分布不均引起的熱應(yīng)力；(3)蒸汽進(jìn)入汽缸產(chǎn)生的反作用力[10]。該螺栓的工作應(yīng)力雖未超過螺栓的持久強(qiáng)度，但在汽輪機(jī)反復(fù)啟停過程中，高壓缸內(nèi)外壁溫差導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，這時螺栓的受力為復(fù)雜的熱應(yīng)力與預(yù)緊力的疊加[11]。

該螺栓在電廠服役長達(dá)1.5×105h，設(shè)計工作溫度為537 ℃，在長期高溫和應(yīng)力作用下，螺栓已經(jīng)發(fā)生蠕變，性能逐漸衰退，尤其是韌性下降明顯，螺栓外螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，并在此處形成裂紋源。隨著運(yùn)行時間的延長，在晶界上形成了蠕變孔洞，孔洞逐漸長大，裂紋源沿晶界擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

3 結(jié)論

(1) 該螺栓斷裂的主要原因是：螺栓在長期高溫和復(fù)雜應(yīng)力作用下，局部晶界處發(fā)生蠕變，材料性能衰退，在機(jī)組運(yùn)行過程中裂紋在蠕變處萌生，并沿晶界擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

(2) 建議加強(qiáng)對高溫螺栓在檢修過程中的無損檢驗，開展螺栓的現(xiàn)場金相檢驗和硬度試驗。