摘 要:某火力发电厂汽轮机用20Cr1Mo1VNbTiB钢高温双头螺柱发生断裂。采用宏观观察、 化学成分分析、金相检验、扫描电镜及能谱分析、力学性能测试等方法对螺柱断裂的原因进行分析。 结果表明:螺柱的第一扣螺牙根部存在粗晶区,组织由回火贝氏体转变为马氏体相位的贝氏体,材 料塑性、韧性下降,脆性增加,在高温应力和交变载荷的作用下,粗晶粒区发生沿晶开裂并不断扩 展,最终导致螺柱发生脆性断裂。建议严格控制冶炼工艺和热处理工艺,规范螺柱安装、拆卸程序, 采用无损检测、硬度测试等方法对螺柱进行出厂检验,以保证其使用性能。 

关键词:20Cr1Mo1VNbTiB钢;高温双头螺柱;脆性断裂;粗晶区 

中图分类号:TB31;TG142.7                        文献标志码:B                        文章编号:1001-4012(2023)07-0039-04

20Cr1Mo1VNbTiB钢是一种贝氏体高温热强 钢,其中含有的 Cr、Mo、V 等元素具有弥散强化和 固溶强化作用,Nb、Ti、B等元素具有细晶强化作 用,从而使材料具有较高的持久强度、持久塑性,优 异的抗松弛性能,较低的热脆倾向和缺口敏感性[1], 广泛应用于超高压机组的高温紧固件中[2]。多种合 金元素的复合强化导致材料对热处理极为敏感,调 质热处理工艺不当、长期高温服役均可能使材料发 生粗晶现象,以及组织劣化、力学性能下降,进而发 生脆性断裂[3]。近年来,汽轮机螺柱断裂造成的机 组非计划停机事故时有发生,给电厂运行带来较大 的安全隐患和经济损失[4]。 

某电厂机组在检修期间,汽轮机高压内缸进气 侧的紧固双头螺柱发生断裂。该汽轮机的工作温度 约为537℃,工作压力约为16.7MPa,汽轮机高压 内缸共有24根带中心孔的高温双头螺柱,其材料为 20Cr1Mo1VNbTiB钢,服役时长约为7×104h。断裂螺柱位于高压内缸进气侧接合面,断裂位置为内、 外螺纹旋合的第一扣螺牙根部,距离螺纹侧端面约 为160mm。笔者对该断裂螺柱进行一系列理化检 验,查明了其断裂原因,并提出了改进建议,以避免 该类事故再次发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

图1为断裂螺柱的宏观形貌。由图1可知:螺 柱断面平齐,与轴向基本垂直,中间工艺孔处和外圆 一侧可见剪切唇,未见明显塑性变形;断口表面较粗糙,呈颗粒状,可见人字形条纹形貌;断口处可见裂纹 源区、裂纹扩展区和瞬断区,人字形条纹收敛于裂纹 源区,工艺孔及外侧剪切唇弧形法向方向为裂纹扩展 方向,外侧剪切唇处为瞬断区,断口呈脆性断裂特征。 

1.2 化学成分分析 

在螺柱断口截面处取样,根据 GB/T4336— 2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火 花放电原子发射光谱法(常规法)》对试样进行化学 成分分析,结果如表1所示,可见断裂螺柱的化学成 分满足DL/T439—2018《火力发电厂高温紧固件 技术导则》的要求。

1.3 金相检验

螺柱断口的低倍组织形貌如图2所示,可见裂 纹源区(位置1)近外圆弧区域存在粗晶区,粗晶区 弧长约为1/3周长,宽度约为10mm,近中心孔处 为裂纹扩展区(位置2),外圆侧为瞬断区(位置3)。

对位置1~3进行金相检验,结果如图3~5所 示,由图3~5可知:裂纹源区的显微组织为马氏体相 位的贝氏体,奥氏体基体上有棒状碳化物析出,断面 附近存在组织偏析现象,晶粒度等级为3级;裂纹扩 展区的显微组织为回火索氏体+块状铁素体,可见黑 色带状组织和少量碳化物析出,晶粒度等级为4级, 中心孔附近未发现过烧组织,排除因中心孔烧伤导致 螺柱断裂的情况;瞬断区的显微组织为粒状贝氏体, 晶粒均匀分布,无明显粗晶,晶粒度等级为7级,属于 正常范围。钢材的持久塑性与晶粒尺寸有关,粗晶材 料的持久塑性低,易出现脆性断裂[5]。

1.4 扫描电镜(SEM)及能谱分析 

采用扫描电镜对断口进行观察,结果如图6所 示。由图6可知:断口表面存在残留氧化物;裂纹源 区和扩展区存在明显的近河流花样和短而弯曲的撕 裂棱,断口可见较多的二次沿晶裂纹,无明显韧窝形 貌,呈准解理断裂形貌;瞬断区可见韧窝形貌,可能 是裂纹扩展后产生了局部应力集中,从而造成韧性断裂[6]。

采用能谱仪对断口表面的残留氧化物进行分 析,结果如图7所示。由图7可知:残留物主要含有 Fe、O、Cr等元素及少量 Mo、V、O、Si等元素,呈无 水蒸汽中盐类沉积特征,可判断该断口形成的时间 较长,并非停机拆解所致。

1.5 力学性能测试 

在断口截面制取纵向棒状试样及纵向冲击试 样,然后对试样进行力学性能测试。依据 GB/T 228—2010《金属材料 拉伸试验方法》,在万能拉力试验机上进行拉伸试验。根据 GB/T229—2020 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》,在金属材料摆 锤冲击试验机上进行冲击试验;根据GB/T231.1— 2018《金属材料 布氏硬度试验方法》,在全自动布 氏硬度计上进行布氏硬度测试,力学性能测试结果 如表2所示。由表2可知:试样的屈服强度、抗拉强 度和断后伸长率均符合 DL/T439—2018的要求; 试样的断面收缩率为42%~44%,低于标准要求;试 样的冲击吸收能量为7.4~8.4J,远低于标准要求;试 样的布氏硬度为255~304HB,超出标准要求。

2 综合分析 

由宏观观察结果可知:断口位于螺帽和螺杆过 渡区的第一扣螺牙根部,断面平齐,与轴向基本垂 直,未见明显塑性变形;断口可见人字形条纹形貌, 根据纹理走向可明显区分出裂纹源区、裂纹扩展区 和瞬断区。裂纹源区可观察到明显粗晶现象,裂纹 扩展区和瞬断区可见弧形剪切唇,呈典型的脆性断 裂特征。螺柱的螺纹部位相当于缺口,在尖锐的螺 纹缺口位置易形成应力集中,使得螺纹根部承受极 大的应力作用[7],且裂纹源区存在粗晶组织,降低了 螺柱的韧性[8],在高温和高应力的作用下,螺柱螺纹 根部的粗晶区形成了微裂纹,并发生沿晶开裂。

由金相检验结果可知:螺柱裂纹源区组织为马 氏体相位的贝氏体,存在组织偏析现象,晶粒度等级 为3级,断口呈准解理断裂形貌;裂纹扩展区组织为 回火索氏体+块状铁素体,晶界出现碳化物聚集现 象,晶粒度等级为4级。材料的晶粒度和显微组织 劣化,导致材料的力学性能发生变化,断裂螺柱的冲 击吸收能量、断面收缩率、布氏硬度等均不满足标准 要求,材料呈现出明显的脆硬性。在长期高温、高压 环境中运行时,螺柱粗晶区发生裂变,脆性增加,形成初始沿晶裂纹,在热应力和紧固应力的综合作用 下,初始微裂纹扩展,并生成二次沿晶裂纹,最终导 致螺柱脆性断裂。20Cr1Mo1VNbTiB钢高温双头 螺柱调质工艺为:淬火(1020~1040℃)+高温回 火(720~740℃),调质后的显微组织为回火贝氏 体。材料对调质热处理工艺的要求极高,当淬火温 度、回火温度、回火时间等参数控制不当时,极易产 生粗晶区,发生组织偏析,形成裂纹源,在较高的交 变应力和热应力作用下,材料组织劣化,脆性和硬性 增大,裂纹不断扩展,最终发生脆性断裂。

3 结论及建议 

3.1 结论 

20Cr1Mo1VNbTiB钢螺柱第一扣螺牙根部存 在粗大晶粒区,在高温、高压环境下,材料的晶粒度 和组织劣化,出现混晶现象,晶界碳化物聚集,导致 材料的力学性能下降,脆性增加,最终导致螺纹根部 发生脆性断裂。

3.2 建议 

(1)严格控制材料的热处理工艺,保证调质后 的组织细化均匀。采用较低的锻造加热温度、严格控制终锻温度、保证足够的锻造比,防止材料出现粗 晶区,并提高螺柱内孔和表面加工精度,避免产生加 工缺陷。 

(2)强化螺柱的入厂检验,新螺纹表面应光滑, 不应有裂纹、缺口、凹坑等缺陷;对螺柱材料进行无 损检测和硬度测试,有条件的可进行晶粒度级别评 定和力学性能测试。 

(3)在安装、拆卸过程中,螺柱应选择合适的预 紧工艺和热紧工艺。检修过程中,对螺柱进行无损 检测和硬度测试,按照DL/T438—2016《火力发电 厂技术监督规程》对其进行抽检,必要时进行解剖 试验。 

参考文献: 

[1] 宋利,王红宝,句光宇.脆化的20Cr1Mo1VNbTiB螺 栓的缺口试验[J].汽轮机技术,2021,63(4):318- 320. 

[2] 武志广,龚 雪 婷,李 鑫,等.热 处 理 工 艺 对 20Cr1Mo1VTiB螺栓钢持久性能的影响[J].钢铁, 2020,55(6):101-106. 

[3] 李晓蔚,张志明,郭凯,等.某核电厂不锈钢螺栓开裂 原因分析[J].腐蚀与防护,2020,41(8):70-73. 

[4] 张元,方毅,孟维歌,等.某电厂汽轮机叶片断裂失效 分析[J].理化检验(物理分册),2019,55(7):474- 477. 

[5] 张忠伟,赵彦芬,赖云亭,等.核电厂高强度螺栓的氢 脆和应力腐蚀问题[J].中国电机工程学报,2021,41 (9):3259-3273. 

[6] 郑建军,樊子铭,刘孝,等.汽轮机组阀盖紧固螺栓断 裂失效分析[J].金属热处理,2021,46(10):262-266. 

[7] 张健,王若民,陈国宏,等.20Cr1Mo1VTiB钢制高温 紧固螺栓断裂失效分析[J].理化检验(物理分册), 2019,55(11):804-807. 

[8] 邓辉,雷青峰,杨旭辉,等.20Cr1Mo1VTiB高温螺栓 失效机理研究[J].汽轮机技术,2021,63(6):473- 476. 

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 7期 (pp:39-42)>