中壓內(nèi)缸螺栓斷裂原因分析

謝 億 屈國民 陳紅冬

（湖南省電力公司科學研究院， 湖南 長沙， 410007）

中壓內(nèi)缸螺栓斷裂原因分析

謝 億 屈國民 陳紅冬

（湖南省電力公司科學研究院， 湖南 長沙， 410007）

采用宏觀形貌觀察、化學成分分析、金相組織觀察與力學性能試驗等方法，對某發(fā)電廠中壓內(nèi)缸螺栓斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明，該螺栓在裝卸過程中溫控不當，導致螺栓內(nèi)壁過熱、灼傷，微觀組織惡化，硬度偏高，最終斷裂失效，并提出相應的建議。

螺栓；斷裂分析；顯微組織

1 事故概況

某電廠一臺亞臨界機組在 2009 年 6 月大修揭缸檢查時發(fā)現(xiàn)中壓內(nèi)缸有一根螺栓斷裂，其規(guī)格為 M60 ×863.6mm， 材 質(zhì) 不 確 定 ， 可 能 為25Cr2Mo1V 或 20Cr1Mo1VTiB。 該機組于 1990 年底投運，首次出現(xiàn)中壓內(nèi)缸螺栓斷裂情況。

2 檢測試驗

2.1 宏觀檢查

螺栓斷裂位置在螺桿部位，試樣實物及斷口宏觀形貌如圖1 （a） 所示。 從宏觀照片中可以看出斷裂起源于螺栓內(nèi)壁凹坑處，該凹坑直徑大約為13mm， 其附近內(nèi)壁發(fā)黑， 見圖1 （b）。 同時斷口可見裂紋擴張的輝紋，具有疲勞斷裂的特性。

圖1 螺栓斷口圖

2.2 化學成分分析

對螺栓進行了化學成分分析，試驗數(shù)據(jù)見表1。 對比 DL/T 439-2006 《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導則》[1]， 可以明確材質(zhì)為 20Cr1Mo1VTiB， 且各元素成分含量滿足標準要求。

表1 螺栓的化學成分試驗數(shù)據(jù) （W t%）

2.3 顯微金相組織

20Cr1Mo1VTiB 鋼在國內(nèi)又名蒸汽 2 號， 具有良好的綜合性能， 常用于工作溫度小于 570℃的火力發(fā)電廠高溫螺栓和閥體[2]。 20Cr1Mo1VTiB 鋼正常組織為回火貝氏體，如圖2所示。

圖2 20Cr1Mo1VTiB 鋼正常組織， 500×

圖3 是失效螺栓凹坑附近的取樣，箭頭方向表示從內(nèi)壁到外壁的順序。圖4是凹坑處金相組織， 發(fā)現(xiàn)有平行于斷面的裂紋， 見圖4 （a）。 同時，凹坑處金相組織呈熔融態(tài)網(wǎng)狀，屬典型過熱組織， 見圖4 （b）。

圖3 失效螺栓凹坑附近的取樣 （箭頭方向表示從內(nèi)壁到外壁）

圖4 凹坑處金相組織 100×

為進一步追溯內(nèi)壁凹坑形成的原因，對凹坑緊鄰、次鄰和遠離部位的金相組織形貌進行了觀察。凹坑緊鄰部位的組織為貝氏體，晶粒粗大，并呈方向性排列， 見圖5 （a）； 凹坑次鄰部位的晶粒細小， 為正火組織， 見圖5 （b）； 遠離凹坑部位的組織為正常見氏體形態(tài)見圖5 （c）。

圖5 內(nèi)壁凹坑附近的金相照片 500×

2.4 力學性能試驗

對螺栓試樣取樣進行拉伸試驗，（試驗數(shù)據(jù)見表2）Rm 平均值為978MPa，結(jié)果表明材料抗拉強度達到 785MPa， 伸長率達到 14%， 材料的拉伸力學性能符合 DL/T 439-2006 《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導則》標準要求。

表2 螺栓的拉伸試驗數(shù)據(jù)

2.5 硬度試驗

對螺栓進行硬度試驗，試驗位置如圖6所示，試驗數(shù)據(jù)見表3。 硬度試驗結(jié)果表明材料布氏硬度稍微偏高。

圖6 硬度試驗部位示意圖

表3 螺栓硬度試驗數(shù)據(jù)

2.6 沖擊試驗

對螺栓進行沖擊試驗， 沖擊功Ak平均值為50.2J， 大于 DL/T 439-2006 《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導則》 標準要求的 39J， 合格。

3 原因分析

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)螺栓內(nèi)壁凹坑附近發(fā)黑，并且凹坑處金相組織呈熔融態(tài)網(wǎng)狀，屬于典型過熱現(xiàn)象，可以判定該凹坑是高溫灼傷痕跡。同時，失效螺栓凹坑附近金相組織粗大，表明此處發(fā)生過奧氏體粗發(fā)，進一步證實過熱事實。結(jié)合電廠情況，分析認為該螺栓在加熱裝卸過程中，其溫度控制未得到有效監(jiān)控，造成螺栓內(nèi)壁過熱甚至發(fā)生灼傷。該不當施工導致螺栓內(nèi)側(cè)組織劣化，并且在灼傷處產(chǎn)生裂紋源。在機組運行過程中，裂紋發(fā)生擴展并最終導致螺栓斷裂失效。

4 結(jié)論和建議

該螺栓斷裂主要原因是螺栓在裝卸加熱時溫度控制不當，引起螺栓內(nèi)壁灼傷產(chǎn)生了裂紋源，并最終導致螺栓斷裂失效。

針對以上情況建議電廠對同類螺栓，特別是同時期進行裝卸的螺栓進行內(nèi)窺鏡檢查，確認是否還有類似問題的螺栓，同時嚴肅規(guī)范對螺栓裝卸的施工工藝，避免此類事故的再次發(fā)生。

[1] 中華人民共和國電力行業(yè)標準.DL/T 439-2006 《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導則》

[2] 王飛, 夏 尊 美, 王紅櫻.20CrlM olVTiB 汽輪 機螺栓斷裂 失效分析 [J].湖南電力， 2009， 29 （5）： 54-58

Fracture Analysis of Intermediate Pressure Inner Cylinder Bolt

Xie Yi， Qu Guomin， Chen Hongdong
（Hunan Electric Power Corporation Research Institute,Changsha Hunan 410007）

Analysisof the intermediate pressure inner cylinder boltwas conducted by visual inspection,chem ical composition analysis, metallographic examination and mechanical tests.The results showed that superheated internal surface resulted from unsuitable temperature control in construction deteriorated the m icrostructure and hardness of the bolt,gave rise to the failure.Suggestionsw ere put forward in the end.

bolt,fracture analysis,m icrostructure

謝億 （1982-）， 男， 湖南衡陽人， 工學博士， 工程師， 從事事故分析及理化試驗工作 。