摘 要:某电厂在运行1.5×105h后,高中压缸高温螺栓发生断裂。通过化学成分分析、力学性 能试验、断口分析、显微组织观察和能谱分析等方法,分析了螺栓断裂的原因。结果表明:螺栓在长 期高温和复杂应力作用下,局部晶界处发生蠕变,材料性能衰退,在机组运行过程中裂纹在蠕变处 萌生,并沿晶界扩展,最终导致螺栓断裂。 

关键词:高温;螺栓;蠕变;断裂 

中图分类号:TK269.1                         文献标志码:B                       文章编号:1001-4012(2021)11-0060-03

进入21世纪后,我国经济高速发展,同时也面 临着能源紧缺与环境污染等问题,提高能源利用率 和能量转化效率的最有效手段就是提高装置的运行 参数[1-4]。螺栓作为汽轮机汽缸、管道法兰、各种阀 门等使用的关键零件,不仅在结合面上承受着防漏 气所施加的初始预紧弹性应力,还承受着高温运行 及机组启停过程中产生的各种静、动应力,使螺栓在 运行过程中易出现蠕变损伤[5-9]。 

某电厂运行1.5×105h后,在检修过程中发现, 高中压缸高温螺栓发生断裂。笔者通过化学成分分 析、力学性能试验、断口分析、显微组织观察和能谱 分析等方法,对螺栓断裂的原因进行分析,并提出应 对措施。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

该电厂高中压缸由74支螺栓紧固,采用规格为 ?120mm×1530mm的双头螺柱,设计工作温度 为537℃,螺栓材料为20Cr1Mo1VNbTiB钢。该 双头螺栓的螺纹长度约为180mm,螺栓的断裂位 置位于螺纹长90mm 处,如图1a)所示。由图1b) 可见:螺栓断口平整,断口被氧化后呈灰黑色,螺纹 断面垂直于螺栓轴向;从裂纹扩展的放射状条纹特 征来看,裂纹源位于外螺纹根部,裂纹从螺栓外表面 向心部扩展,裂纹源部分区域因磨损而被破坏,瞬断 区位于螺栓中心圆孔处。

1.2 力学性能试验 

断裂螺栓的化学成分满足标准要求,为全面分 析断裂螺栓的力学性能,在螺栓近断口处(1号试 样)以及螺柱上(2号试样)分别截取试样,进行力学性能试验,结果如表1所示。由表1可见,螺栓不 同位置处的室温拉伸性能、布氏硬度以及冲击韧 性均低于标准要求,冲击韧性检测值与标准值相 差较大。

1.3 断口分析 

利用扫描电镜(SEM)观察螺栓断口的 SEM 形貌。由图2可见:断口中裂纹源区域呈准解理 开裂和沿晶开裂的特征,可见明显的二次裂纹;螺 栓裂纹扩展区可见蜂窝状形貌,在晶界上可见明 显的蠕变孔洞。

1.4 金相检验 

在螺栓断口附近及螺栓螺柱取样,观察裂纹的 微观形貌。由图3可见:在螺栓断口附近可见沿晶 界扩展的二次微裂纹以及在螺栓螺柱沿晶界扩展的 微裂纹。 

1.5 能谱分析 

进一步放大观察,发现组织中可见块状析出物, 其截面呈规则的四边形,如图4所示。对析出物进 行能谱分析,结果见表2,该析出物主要由碳、氮、 铌、钛、钒、铁组成,推测该析出物为氮化物。

2 分析与讨论 

该螺栓在570℃以下具有较高的抗松弛性能、 较高的持久强度和持久韧性,组织稳定性好。在工 作温度为500℃时,螺栓工作1×105h的持久强度 为314MPa。螺栓在服役过程中所受的工作载荷有 以下三种:(1)冷热紧固应力;(2)汽缸温度分布不均 引起的热应力;(3)蒸汽进入汽缸产生的反作用 力[10]。该螺栓的工作应力虽未超过螺栓的持久强 度,但在汽轮机反复启停过程中,高压缸内外壁温差导致热应力的产生,这时螺栓的受力为复杂的热应 力与预紧力的叠加[11]。

该螺栓在电厂服役长达1.5×105h,设计工作 温度为537℃,在长期高温和应力作用下,螺栓已经 发生蠕变,性能逐渐衰退,尤其是韧性下降明显,螺 栓外螺纹根部产生应力集中,并在此处形成裂纹源。 随着运行时间的延长,在晶界上形成了蠕变孔洞,孔 洞逐渐长大,裂纹源沿晶界扩展,最终导致螺栓 断裂。

3 结论 

(1)该螺栓断裂的主要原因是:螺栓在长期高 温和复杂应力作用下,局部晶界处发生蠕变,材料性 能衰退,在机组运行过程中裂纹在蠕变处萌生,并沿 晶界扩展,最终导致螺栓断裂。

(2)建议加强对高温螺栓在检修过程中的无损 检验,开展螺栓的现场金相检验和硬度试验。

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<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:60-62)>