高壓調節汽門閥蓋螺栓斷裂失效分析

張 杰 吳繼權 邱康勇

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518029）

高壓調節汽門閥蓋螺栓斷裂失效分析

張 杰 吳繼權 邱康勇

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518029）

針對一起高壓調節汽門閥蓋螺栓斷裂失效案例，對螺栓進行宏觀檢查、成分分析、硬度測試、金相組織分析及斷口顯微分析。結果表明：在蠕變、疲勞的共同作用下，在螺栓應力集中部位，首先在弱化的晶界上產生裂紋，然后在腐蝕作用的促進下，裂紋不斷擴展，最終造成脆性斷裂。

斷裂 螺栓 裂紋 腐蝕

電廠使用的緊固件大多工作在高溫狀態下，主要承受著拉伸應力，有時也承受彎曲應力[1]。20Cr1Mo1VTiB鋼是一種具有較高持久強度及抗松弛性能的材料，是我國火力發電廠汽輪機汽門常用的螺栓材料，屬于我國自行研發的CrMoV系列低合金高強度鋼[2-4]。但是在實際工況中，我國火力發電廠卻經常有汽門螺栓斷裂現象的發生。

2016年12月，中海油深圳電力有限公司的工作人員在對機組進行檢修的過程中，發現兩根高壓調節汽門閥蓋螺栓斷裂。斷裂螺栓標稱材質為20Cr1Mo1VTiB，規格為M56mm。該類螺栓所在機組（見圖1）于2005年投入使用，到發現螺栓斷裂時累計運行40000h，期間有過4次拆裝，機組工作期間最高運行溫度為530℃，每天運行10h。考慮到兩根螺栓斷口形貌極其相似，因此，筆者對其中一根螺栓進行分析，找出斷裂原因。

圖1 高壓調節汽門閥蓋螺栓裝載位置

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢測

斷裂的螺栓宏觀形貌見圖2。從圖2可見，高壓調節汽門閥蓋螺栓斷裂在螺紋處，螺栓周圍有罩螺帽，并且其斷口較為平整，沒有明顯的塑形變形，斷口上存在明顯的起裂源、擴展區、最后斷裂區。高壓調節汽門閥蓋螺栓應為脆性斷裂[5-6]。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

1.2 成分分析

在高壓調節汽門閥蓋螺栓上截取光譜試樣，經清洗、干燥、打磨后，采用臺式直讀光譜儀進行化學成分光譜分析，分析結果見表1。螺栓化學成分光譜分析結果符合DL/T 439—2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》對20Cr1MoVTiB的技術要求。

表1 調速汽門螺栓成分分析結果Wt%

1.3 硬度檢測

在高壓調節汽門閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣，經打磨、拋光后，進行布氏硬度試驗，試驗結果見表2。調速汽門螺栓布氏硬度試驗結果符合DL/T 439—2006對20Cr1MoVTiB的技術要求。

表2 調速汽門螺栓硬度測試結果表（HB10/3000）

1.4 金相組織分析

在高壓調節汽門閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣，經鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進行浸蝕，試樣金相組織見圖3。金相組織為回火索氏體和明顯的黑色網狀晶界。

圖3 橫截面金相組織1000X

1.5 斷口顯微分析

將斷口切取下來，經無水酒精清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡下進行觀察。螺栓表面可見大量的覆蓋物，斷口表面覆蓋物形貌見圖4。覆蓋物縱截面形貌見圖5，從圖5中能夠看出，覆蓋物厚度約為50μm。覆蓋物能譜分析結果見圖6，由分析結果可推斷出該覆蓋物主要為金屬氧化物。

將斷口進行進一步清洗并干燥后，置于掃描電鏡下進行觀察。斷口形貌見圖7及圖8。圖7為螺栓斷裂起裂源區，圖中可見斷口上存在空洞。圖8為最后斷裂區，圖中同樣可見空洞。

圖4 斷口表面覆蓋物形貌

圖5 覆蓋物縱截面形貌

圖6 覆蓋物能譜分析結果

圖7 起裂源形貌

圖8 最后斷裂區形貌

2 綜合分析

根據材料的化學成分分析和硬度測試結果，表明高壓調節汽門閥蓋螺栓滿足DL/T 439—2006對20Cr1MoVTiB的技術要求。

金相分析可知，高壓調節汽門閥蓋螺栓金相組織為回火索氏體和明顯的黑色網狀晶界。DL/T 439—2006中規定，對高溫螺栓運行后檢驗結果符合下列條件之一者應進行更換（a.硬度超標；b.金相組織有明顯的黑色網狀奧氏體晶界）。從而表明此螺栓的晶界已經發生弱化[7]。

螺栓在使用過程受到的溫度為530℃，該溫度未超過材料的最高使用溫度（570℃），但也算是高溫。所受應力來自三個方面，首先，當機組平穩工作時，在530℃溫度下，螺栓同時承受一定的熱應力，當機組在啟動到結束兩個階段時，螺栓則承受的是交變熱應力；第二，結合螺栓的裝載位置及螺栓一頭套在罩螺帽內的特點可以看出，該螺栓承受的一定拉伸應力；第三，由于螺栓斷裂位置位于螺紋處，此處本身就為應力集中點。從而表明當機組運行時，螺栓會受到蠕變及疲勞的作用[8-10]。

由斷口分析結果可知，斷口表面覆蓋著大量的氧化物，同時在斷口上發現有空洞存在，表明螺栓在斷裂的過程中受到嚴重的高溫氧化腐蝕。

綜合以上分析，在蠕變、疲勞的共同作用下，在螺栓應力集中部位，首先在弱化的晶界上產生裂紋，然后在腐蝕作用的促進下，裂紋不斷擴展，最終造成脆性斷裂。

3 結束語

本次高溫螺栓失效的主要因素與使用工況有關，而使用工況的復雜性又是無法避免的，因此監督及檢驗部門對螺栓的失效需承擔一定責任。同樣在DL/T 439—2006中也明確提到應加強對高壓氣缸高溫段螺栓（調速汽門和主汽門螺栓）的監督和檢驗，但未明確對該類螺栓檢驗時的累積使用時間。在此，為了完善DL/T439—2006，建議明確對高壓氣缸高溫段螺栓（調速汽門和主汽門螺栓）的受檢周期。并且使用單位及監督、檢驗部門應嚴格遵守DL/T 439—2006。

[1] 黃權浩.發電機組高溫螺栓脆性斷裂機理分析[J].水利電力機械，2004，26（04）：9-10.

[2] 丁勇.20Cr1Mo1VTiB鋼Ti的控制[J].特鋼技術，2004，10（04）：14-16.

[3] 奚杰峰，馬延會，陳銳.國產20Cr1Mo1VTiB主汽門螺栓的失效機理研究[J].熱加工工藝，2015，44（02）：234-236.

[4] 肖克建.20Cr1Mo1VTiB鋼冶煉工藝研究[J].特鋼技術，2003，10（02）：9-12.

[5] 張 棟，鐘道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004：88.

[6] 王榮.機械裝備的失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2016，52（10）：698-704.

[7] 張亞明，姜勝利，郭宏.熱電廠高溫螺栓斷裂原因分析[J].金屬熱處理，2015，（40）：323-325.

[8] 徐鴻，鄭善合，Maile Karl.超臨界機組螺栓高溫蠕變斷裂的研究[J].中國電機工程學報，2007，27(29)：80-83.

[9] 蒲澤林，楊昆，劉宗德，等.汽輪機聯軸器螺栓疲勞特性及壽命預測模型的研究[J].中國電機工程學報，2002，22(07)：90-94.

[10] 毛雪平，劉宗德，楊昆，等.30Cr1Mo1V 轉子鋼蠕變-疲勞交互作用的實驗研究[J].中國電機工程學報，2004，24(02)：206-209.

Fracture Failure Analysis of Bolt for High Pressure Regulating Valve Cover

Zhang Jie Wu Jiquan Qiu Kangyong
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)

According to a case of bolt fracture for high pressure regulating valve cover, by means of macroscopic examination, OES, OM and SEM, the fracture bolt was analyzed. The results showed that under the creep,fatigue, the cracks in the weakened grain boundaries were fi rst produced at the stress concentration site of the bolt, and then under the in fl uence of corrosion, and the cracks expanded, the bolt fi nally brittle fractured.

Fracture Bolt Cracks Corrosion

X933.4

B

1673-257X（2017）10-0061-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.016

張杰（1991～)，男，碩士，工程師，從事金屬材料的理化檢驗及失效分析工作。

張杰，E-mail： 928533546@qq.com。

2017-03-17）