汽輪機高壓調汽閥螺栓斷裂失效分析

高貝貝，陳 拓，李德波

(1.瓦盧瑞克核電管材(廣州)有限公司，廣州 511455； 2.南方電網電力科技股份有限公司，廣州 510080)

汽輪機汽缸水平中分面的密封性對機組的經濟性和運行可靠性有直接的影響。高溫螺栓作為高溫緊固件在法蘭結合處產生較大的壓緊力，在汽輪機設計工況運行過程中可以保證汽缸中分面的密封性。如果在機組運行中高溫螺栓斷裂，會造成巨大的經濟損失[1]。高溫螺栓在高溫下長期運行后會逐漸老化，應嚴格執行驗收、檢驗、檢修等程序以減少高溫螺栓失效的發生。按照失效機理，常見的高溫螺栓失效形式有疲勞斷裂、蠕變斷裂、應力腐蝕、螺紋咬死、熱脆老化和中心孔燒傷等[2-3]。高溫螺栓斷裂原因有：熱處理不當，金相組織不合格，強度不合適；螺栓材料有缺陷，例如材料偏析；螺栓本身結構不合理或加工不當，存在應力集中現象；螺栓所受的附加應力過大；螺栓預緊力過大等[4-8]。

筆者對汽輪機高壓調汽閥高溫螺栓的斷裂失效進行探究，全面分析斷裂的原因及機理，提出相應措施避免類似斷裂失效的發生。

1 理化檢驗

某電廠600 MW機組在高壓調汽閥解體檢修時發現一個高溫螺栓斷裂，該螺栓材質為20Cr1Mo1VNbTiB，規格為M76×340(公稱直徑為76 mm、螺紋長度為340 mm)，帶中心孔結構。20Cr1Mo1VNbTiB是我國自主研制的貝氏體耐熱鋼，具有較高的持久強度和抗松弛性能，并且其持久塑性好、缺口敏感性低，工作溫度為535～570 ℃，主要作為電廠大截面的高溫緊固螺栓的材質[9-10]

1.1 宏觀分析

圖1為斷裂高壓調汽閥的閥門蓋螺栓的整體宏觀形貌，斷裂發生在栓頭螺栓的靠近光桿約3個齒紋處。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌

斷口表面大部分區域已經氧化腐蝕，經物理方法反復清洗后，得到宏觀斷口形貌見圖2，裂紋擴展方向為圖2中箭頭所指方向。由圖2可得：斷裂發生在高壓調汽閥的閥門蓋螺栓螺紋的齒根部位，裂紋從螺牙的根部外緣萌發，向中心孔擴展；裂紋起源區較小，擴展迅速，斷口上沒有明顯的宏觀塑性變形，表面比較平整，呈明顯的脆性斷裂特征。

A區—開裂源區；B區—裂紋擴展區；C區—裂紋瞬斷區。圖2 斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用FOUNDRY-MASTER Optimum 臺式真空火花發射光譜儀對斷裂螺栓進行化學成分分析，結果見表1，表1中同時列出DL/T 439—2018 《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中20Cr1Mo1VNbTiB的標準成分，以進行比較。由表1可得：斷裂螺栓的材料各元素含量基本與標準成分一致，但其中Mo質量分數為0.68%，低于標準成分要求(0.75%～1.00%)，而Si含量和Ti含量則略高于標準成分要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分 %

1.3 金相分析

在螺栓斷口附近沿橫截面制取金相試樣，經拋光后，用硝酸體積分數為4%的硝酸酒精溶液對試樣浸蝕，然后采用奧林巴斯GX51金相顯微鏡進行金相分析，金相組織見圖3。

圖3 螺栓斷口附近的金相組織

由圖3可得：送檢螺栓材料的組織為回火貝氏體，部分碳化物析出，晶粒度為4級，屬于微觀中等粗晶，不能滿足DL/T 439—2018中規定20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓的非套晶結構晶粒度應為5級的要求。

1.4 斷口分析

采用配有能譜儀的Quanta 200型環境掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口的微觀形貌進行觀察。圖4是開裂源區的SEM形貌，螺紋表面有明顯的表面缺陷，斷口表面有碰傷的痕跡，開裂源區斷口的少許部位呈準解理花樣，并有河流花樣和二次裂紋，表明開裂源區的斷裂屬于脆性斷裂。

圖4 開裂源區的SEM形貌

圖5為裂紋擴展區和裂紋瞬斷區的SEM形貌，斷裂區域存在短且彎曲的撕裂棱，呈準解理斷裂形貌。

圖5 裂紋擴展區和裂紋瞬斷區的SEM形貌

1.5 硬度分析

根據GB/T 4340.1—2009 《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用MVS-1000D1型顯微維氏硬度計對螺栓進行硬度試驗，然后參照GB/T 1172—1999 《黑色金屬硬度及強度換算值》，將維氏硬度換算成布氏硬度，最終測得螺栓硬度為283HBW。DL/T 439—2018中對20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓硬度的規定為252HBW～302HBW，失效螺栓的硬度滿足標準要求。

2 分析與討論

斷裂的螺栓中Mo含量低于標準成分要求，而Si含量和Ti含量略高于標準成分要求。Mo是高熔點金屬，對提高材料熱強性有顯著效果，可使零件在高溫下具有抵抗塑性變形和斷裂的能力。Mo既可以溶入固溶體使高強度的不平衡組織狀態保持在更高的溫度，同時又可以形成彌散的強化相。強化相在高溫下穩定不易溶解，使材料在高溫下能保持很好的強化效果。Si可以提高材料抗氧化性，但是Si也會增大鋼的脆性，所以Si含量一般不宜過高。Ti的作用是形成穩定的彌散相，提高合金的高溫強度，但Ti含量過高會導致材料塑性降低[11-12]。較低的Mo含量、略高的Si含量和Ti含量對螺栓的力學性能產生了不良影響。

螺栓的金相組織為回火貝氏體，部分碳化物析出，晶粒度為4級，屬于微觀中等粗晶。螺栓在長時間高溫運行后，析出相逐漸增多并長大，而析出相形貌、尺寸的變化會直接影響材料的力學性能，使得材料的塑性和韌性下降，缺口敏感性顯著增加[13-14]。斷口處較平整且無明顯塑性變形，斷裂螺栓的裂紋源位于螺紋的齒根部位，在SEM形貌可中見該部位有明顯的表面缺陷，容易造成應力集中，進而導致裂紋源的形成。

3 控制措施

(1)對于電廠的金屬監督人員，應該了解供應商的生產過程及質量保證體系，確保螺栓的生產和檢驗按照DL/T 439—2018的要求進行，從而提高螺栓的入廠合格率。同時，應加強對螺栓的驗收檢驗，嚴格依據產品標準檢查其質量檢驗單，包括化學成分、低倍和高倍組織等。通常情況下，電廠只對高溫螺栓進行光譜分析，而光譜分析只能對部分元素進行半定量分析，并不能保證螺栓的全部化學成分符合要求。此次高溫螺栓斷裂說明對螺栓進行化學成分分析很有必要。因此，除了對新螺栓全部進行光譜檢驗外，建議增加螺栓化學成分分析的抽檢。

(2)高溫螺栓使用前應檢查其表面質量，表面不應有凹痕、裂紋等會引起應力集中的缺陷存在，必要時可用滲透劑、磁粉、超聲波等方式探傷，有裂紋的螺栓應報廢。

(3)電廠在對運行汽輪機緊固件進行金屬技術監督過程中，要做好宏觀檢驗、無損探傷、硬度檢驗、金相組織檢驗等工作。針對頻繁拆裝的螺栓，應縮短其檢驗周期。針對失效螺栓，應對同部位、同材料、同規格的其他螺栓進行擴大檢查。

(4)加強高溫螺栓檢驗管理，做好記錄，以便對螺栓進行壽命管理，應及時更換已接近使用壽命的螺栓。在更換部分螺栓后，新舊螺栓應交錯布置，以增強汽輪機運行的穩定性。

4 結語

(1)在螺紋齒根處存在螺紋機加工造成的缺陷引起應力集中，導致螺栓裂紋的萌生，并最終引發脆性斷裂，這是汽輪機高壓調汽閥螺栓斷裂的直接原因。

(2)在高溫螺栓的冶煉工藝中，化學元素控制不當導致Mo含量偏低、Si和Ti含量略高，降低了螺栓的塑性。

(3)螺栓在緊固應力、結構應力及熱應力等作用下長時間運行后，材質的組織出現了老化，其塑性變形能力逐漸下降，無法通過塑性變形來及時釋放應力，導致裂紋的迅速擴展，這是本次螺栓斷裂的根本原因。