20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓斷裂失效分析

吳紅輝 ，王韋

(1.廣東電研鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，廣州 510700; 2.東風天汽模(武漢)金屬材料成型有限公司，武漢 430040)

0 引言

汽輪機是火力發電機組的核心部件之一，其正常運行決定著機組的安全性、可靠性及經濟高效性。汽輪機螺栓作為汽輪機的緊固件，在保證汽缸中分面汽密性上發揮著至關重要的作用[1-2]。為適應高溫、高應力及蒸汽氧化腐蝕的工作環境，合金鋼、12%Cr鐵素體不銹鋼、高溫合金鋼等是制造汽輪機高溫螺栓的主要材料。20Cr1Mo1VNbTiB作為一種珠光體高溫熱強鋼，具有較高的持久強度和抗松弛性能，且持久塑性好，熱脆傾向小，缺口敏感性低，主要應用于制造工作溫度低于570 ℃的高溫螺栓[3-4]。

根據近年國內火電機組事故統計表明，汽輪機螺栓失效斷裂導致電廠機組非計劃停運的事故時有發生，造成較大經濟損失[5-7]。本文針對某電廠汽輪機高壓缸用20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的斷裂失效進行了探究，較全面地分析了其斷裂原因及機理，并提出了相應預防措施，以避免同類事故的重復發生。

1 試驗及結果

斷裂螺栓規格為M120 mm×4 mm×1 530 mm，斷裂部位為距螺栓端部570 mm螺桿處，工作溫度在510 ℃左右，汽輪機累計運行時間約140 000 h。試驗借助金相顯微鏡、布氏硬度計、力學試驗機、直讀光譜儀及掃描電子顯微鏡，對其斷裂原因及機理進行了分析。

1.1 斷口分析

圖1為斷裂螺栓斷口正面及側面的宏觀形貌。由圖1a可知，螺栓斷面整體較平整，稍有凹凸區域，螺桿無明顯宏觀塑性變形，沿斷口紋理走向可判斷出螺栓斷裂過程中裂紋源區、擴展區和瞬斷區3個區域。由圖1b可知，斷口裂紋源的側表面存在較密集的機械損傷凹坑，系安裝或拆卸過程中人為所致。由此可判斷螺桿表面密集、點狀機械損傷是造成該部位應力集中，螺栓形成裂紋源的外在誘因。

圖1 螺栓斷口宏觀形貌

對該失效螺栓斷口的裂紋源及裂紋擴展區取樣，采用掃描電子顯微鏡(SEM)掃描，結果如圖2

圖2 螺栓斷口的SEM形貌

圖3 金相組織

所示。由圖2a、圖2b可以看出，這兩個斷裂區域均無明顯韌窩，但存在近河流花樣、短且彎曲的撕裂棱，呈準解理斷裂形貌[8]；結合圖2c、圖2d可以看出，斷裂區域存在較明顯的解理臺階。由此可判斷螺栓斷裂屬于解理脆性斷裂。

1.2 金相組織

于螺栓斷口處及遠離斷口螺桿部位橫截面分別取樣，借助萊卡DMI3000M金相顯微鏡進行金相組織分析。試樣分別標記為#1，#2，金相照片如圖3所示。由圖可知，#1，#2試樣金相組織均為回火貝氏體，部分碳化物析出，#1斷口處可觀察到明顯的沿晶微裂紋。參照DL/T 439—2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》可知，#1，#2試樣晶粒度為3～4級，屬于微觀中等粗晶。

1.3 力學性能試驗

1.3.1 硬度試驗

采用HB-3000布氏硬度計(HBW)分別對#1，#2試樣進行硬度試驗。參照DL/T 439—2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中對20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓硬度的規定可知，遠離斷口的#2試樣及斷口附近的#1式樣的多次布氏硬度測量值均在正常范圍內，見表1。

1.3.2 拉伸性能試驗

沿縱向對螺栓螺桿部分取樣，標記為#3試樣并進行常溫力學拉伸試驗。參照DL/T 439—2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中對20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓拉伸性能的規定可知，斷裂螺栓常溫拉伸性能滿足技術要求，見表2。

表1 #1及 #2試樣的布氏硬度 HBW

表2 螺栓拉伸性能

1.3.3 沖擊性能試驗

于斷裂螺栓的斷口附近及遠離斷口位置取樣，分別標記為#4，#5試樣并進行沖擊試驗，試驗結果見表3。參照DL/T 439—2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中對20Cr1Mo1VNbTiB材質高溫螺栓沖擊性能的規定，斷裂螺栓沖擊韌性偏低。結合金相組織分析可知，該螺栓金相組織析出部分碳化物、晶粒增大、沖擊韌性下降，這是導致螺栓發生脆性斷裂的內在原因。

表3 螺栓沖擊性能 J

1.4 化學成分析

采用GS1000真空型直讀發射光譜儀對斷裂螺栓進行化學成分分析，并與DL/T 439—2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》規定的20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓標準化學成分進行對比，其結果見表4。結果表明，斷裂螺栓的化學成分符合要求，螺栓制造時選材無誤。

2 分析與討論

綜合以上試驗結果可知：該螺栓化學成分、硬度及常溫拉伸性能均符合技術要求；金相組織為回火貝氏體，部分碳化物析出，晶粒度為3～4級，屬于微觀中等粗晶；螺栓斷裂處位于距螺栓端部570 mm螺桿處，未見明顯塑性變形，宏觀斷口可觀察到裂紋源、裂紋擴展區及瞬斷區，結合斷口SEM形貌可知其屬于解理脆性斷裂；進一步對比發現近斷口裂紋源一側表面存在密集的機械損傷凹坑，可判斷表面嚴重損傷導致該部位形成應力集中[9-11]，進而誘導裂紋源的形成。螺栓金相組織表明晶粒相對較粗大，部分碳化物析出，使得材料的沖擊韌性下降；同時由于長期工作于高溫高壓的環境中，在緊固應力、結構應力及熱應力的綜合作用下，裂紋源逐步擴展，最終發生解理脆性斷裂[12-13]。

表4 螺栓化學成分 %

3 結論

(1)在火電廠汽輪機解體檢修過程，由于現場技術人員的暴力拆裝致使螺栓表面機械損傷嚴重。該部位形成應力集中，從而產生了裂紋源，這是此次螺栓發生斷裂的直接原因。

(2)螺栓晶粒較粗大，且長期服役于高溫高壓環境中，造成碳化物逐步析出、材料沖擊韌性下降，容易發生脆性斷裂，這是此次螺栓發生斷裂的根本原因。

因此，火力發電廠在對運行汽輪機緊固件進行金屬技術監督過程中，不僅要做好宏觀、探傷、硬度、金相的檢查，而且有必要抽取一定數量的螺栓進行沖擊性能試驗。