摘 要:某汽轮机的高温螺栓在机组运行过程中发生了断裂,采用宏观观察、化学成分分析、力 学性能试验、宏观组织检验、金相检验、断口分析等方法,对高温螺栓的断裂原因进行了分析。结果 表明:该汽轮机的高温螺栓晶粒较粗大,且长期在高温高压环境下服役,造成碳化物逐步析出、材料 冲击韧性下降。在机组启、停机及机组负荷波动带来的冲击应力下,该高温螺栓最终发生了脆性 断裂。

 关键词:汽轮机;高温螺栓;断裂;粗晶;碳化物析出 

中图分类号:TG115.2                      文献标志码:B                       文章编号:1001-4012(2021)12-0071-04

随着国内火力发电机组装机容量和热效率的不 断提高,汽轮机的蒸汽压力也越来越高,这对汽轮机 高温部件的材料性能也提出了更高的要求。比如汽 轮机上的高温螺栓在保证气缸中分面的气密性上发 挥着重要的作用,高温螺栓一般采用高温性能优异 的热强材料制造[1-2]。20Cr1Mo1VNbTiB钢为珠光 体热强钢,其具有较高的持久强度和较好的抗松弛 性能,常用于制造汽轮机的高温螺栓[3-5]。

某电厂的发电机组在运行过程中,其中联门高 温螺栓发生断裂失效,该机组运行时长47341h,螺 栓材 料 为 20Cr1Mo1VNbTiB 钢,螺 栓 规 格 为 M56mm×4mm×310mm。笔者对该断裂螺栓进 行了一系列检验和分析,并选取另外一个同批次、同 材料的未断裂螺栓进行对比,找出了该高温螺栓的 断裂原因,以期类似事故不再发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

断裂螺栓的整体形貌和断面形貌如图1和图2 所示。可见断裂部位在螺栓杆部,断口距端面约 130mm。断面平整,呈颗粒状,无塑性变形,为典型 的脆性断口。观察螺栓外表面,可见螺纹表面光滑, 无凹痕、裂纹、锈蚀、毛刺或其他引起应力集中的 缺陷。 

1.2 化学成分分析 

在断裂螺栓和对比螺栓的螺杆中部进行线切割 取样,将切割面在砂纸上磨平并用酒精清洗后,采用 牛 津FOUNDRY-MASTERPro型全谱立式直读光谱仪对其进行化学成分分析,结果见表1。可见 其化学成分符合 DL/T439—2018《火力发电厂高 温 紧固件技术导则》对20Cr1Mo1VNbTiB钢的成 分要求。

1.3 力学性能试验 

在断裂螺栓和未断螺栓上分别取硬度试样、拉 伸试样和 U型缺口冲击试样,采用 UTM5105型万 能材料试验机对其进行室温拉伸试验,测定其抗拉 强度、屈服强度和断后伸长率,采用JBN-300型冲 击试验机测定其室温冲击吸收能量,采用 HB-3000 型布氏硬度计测定其布氏硬度,试验结果见表2。 结果表明,螺栓的硬度、抗拉强度、屈服强度和断后 伸长率均符合标准要求,但是断裂螺栓的冲击吸收 能量仅为25J,远低于标准要求,表明断裂螺栓材料 的脆性大,抵抗冲击载荷的能力低。未断裂螺栓的 冲击吸收能量为86J,符合标准要求。 

1.4 宏观组织检验 

按DL/T439-2018推荐方法对断裂螺栓和未 断裂螺栓的端面及断裂螺栓断口处横截面进行宏观 组织检验,如图3所示。在不同角度的光线下断裂 螺栓端面及断口处横截面均呈现出不同色泽与光亮 度的多边形颗粒斑块,肉眼可见粗大的晶粒,采用放 大镜观察可知晶粒平均直径在2mm 以上,即断裂 螺栓的组织由宏观粗晶组成。

20Cr1Mo1VNbTiB钢粗晶的形成与制造、热处 理等生产工艺有关,属于过热组织。热加工过程温 度达到Ac1(珠光体向奥氏体转变的初始温度)以上, 或钢材多次加热至奥氏体再结晶温度以上后快速冷 却就会形成粗晶。在长期高温高压环境下,过热组织 中碳化物逐步析出,会使材料的冲击韧性下降。

1.5 金相检验 

在螺栓螺杆部位取样进行金相检验,如图4所 示。可见断裂螺栓的显微组织为贝氏体,晶粒度级 别为1级,晶内的排状贝氏体交叉分布,呈框架状结 构。未断螺栓的显微组织为细晶状贝氏体,晶粒度 级别为5级。金相检验结果表明断裂螺栓的晶粒度 级别不符合 DL/T439-2018《大力发电厂高温紧 固件技术导则》中晶粒度级别为5级的要求。

1.6 断口分析 

采用JSM-6360LV 型扫描电镜观察断裂螺栓 的断口形貌。断口形貌如图5a)所示,断口表面已 被致密氧化物完全覆盖,通过能谱分析得知该氧化 物为Fe2O3,能谱(EDS谱)如图5b)所示。由于断 裂螺栓在运行过程中断裂,断口长时间暴露在高温 环境下,致使断口表面生成致密的氧化膜,因此螺栓 的断裂信息很难从断口上直接观察。笔者通过拉伸 和冲击试样的断口来观察材料的断口形貌,判断螺 栓的断裂模式。

将拉伸和冲击试样的断口置于扫描电镜下观 察,拉伸和冲击试样断口形貌如图6所示。其中 图6a)和图6b)为低倍下的拉伸和冲击断口形貌, 可见拉伸断口断面剪切唇区很小,约占断裂面积 的15%,整个断面以放射区为主,基本没有纤维 区,通过断口宏观形貌判断该材料的韧性很差。 图6c)为高倍观察下的拉伸断口形貌,断面以解理 为主,少量韧窝夹杂其中,整个断面形貌符合准解 理断裂特征。图6d)为高倍观察下的冲击断口形 貌,可见断面基本为放射区,整个断面大多为解理 面。图6表明试样断裂属于解理断裂,说明材料 脆性很大。 

2 分析与讨论 

由以上理化检验结果可知,螺栓化学成分、室温 拉伸性能、硬度等指标符合标准要求。断裂螺栓组 织晶粒粗大,晶粒度级别为1级,晶内交叉分布的排 状贝氏体呈框架状结构,导致材料脆性很大;拉伸和 冲击断口的断裂特征表明材料为解理断裂,加上冲 击吸收能量远低于标准要求,再次证明材料脆性很 大。汽轮机高温螺栓在高温、高应力、蒸汽腐蚀等复 杂工况下工作,这要求螺栓材料具有较高的高温蠕 变持久强度、较低的线膨胀系数、较好的抗松弛性 能、良好的抗应力腐蚀能力、较低的缺口敏感性及较 好的抗氧化性能。而该断裂螺栓材料存在粗晶,因 此其组织异常导致了材料脆性过大,不能承受启、停 机及机组负荷波动带来的冲击应力。

3 结论及建议 

该汽轮机的高温螺栓的晶粒较粗大,且长期在高温高压环境下服役,造成碳化物逐步析出、材料冲 击韧性下降,在机组启、停机及机组负荷波动带来的 冲击应力下,该高温螺栓发生了脆性断裂。 

建议火电厂在进行机组检修时,对汽轮机高温 螺栓进行100%超声检验、100%硬度检验,对超声 检验和硬度检验结果不合格的螺栓,予以更换。

参考文献: 

[1] 何风生,卢方龙,盘荣旋.汽轮机螺栓断裂失效分析 [J].江西电力,2005,29(2):6-8. 

[2] 刘发,纪繁祥,彭建强.汽轮机用高温螺栓材料的发展 动向[J].机械工程师,2012(7):169-170. 

[3] 吴红辉,王伟.20Cr1Mo1VNbTiB高温螺栓断裂失效 分析[J].华电技术,2018,40(10):27-30. 

[4] 尹宏超,赵云,于贤思,等.螺栓断裂失效分析[J].物 理测试,2017,35(6):30-33. 

[5] 尹宏超,赵云,于贤思,等.20Cr1Mo1VNbTiB高温螺 栓运行后性能变化及监督方法的探讨[J].河北电力 技术,1992(5):43-47. 

<文章来源  >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 12期 (pp:71-74)>