汽輪機(jī)螺栓斷裂失效分析

王華剛

（中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

2018 年5 月，某石化公司熱電廠汽機(jī)車間，1號(hào)蒸汽汽輪機(jī)（型號(hào)：EHNG50/63/0）的1 個(gè)汽缸緊固螺栓（雙頭螺柱，編號(hào)6#）發(fā)生斷裂（圖1）。1號(hào)蒸汽汽輪機(jī)于1986 年投入使用，30 多年里累計(jì)運(yùn)行約20 萬小時(shí)，累計(jì)啟停機(jī)次數(shù)約200 次，蒸汽溫度535 ℃。斷裂螺栓規(guī)格M90×6 mm×515 mm，材料25Cr2Mo1VA，螺栓采用電加熱形式拆裝。2011 年8 月汽輪機(jī)檢修時(shí)拆裝過螺帽（螺栓未拆），并且現(xiàn)場(chǎng)里氏硬度計(jì)檢測(cè)螺栓硬度為275 HBW，2011 年運(yùn)行至2018 年未再進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂。為了查明汽輪機(jī)螺栓斷裂的原因，針對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了各種檢測(cè)和失效分析，以便采取相應(yīng)的技術(shù)措施，消除類似的安全隱患。

圖1 機(jī)組解體后

1 螺栓宏觀檢查分析

觀察螺栓斷裂形貌，截取6 個(gè)斷口試樣，試樣用超聲波清洗干凈，其中3 個(gè)進(jìn)行含緩蝕劑酸洗除銹，用體視顯微鏡觀察分析的螺栓斷口形貌特征：①螺栓斷裂位置在其一端螺紋尾部，該處也是螺栓受力最大的位置（圖2）；②螺栓斷口與軸線垂直，斷口表面比較平整，基本無塑性變形，呈現(xiàn)出脆性斷裂特點(diǎn)（圖3）。

圖2 斷裂螺栓的側(cè)面形貌

圖3 斷裂螺栓的斷口形貌

螺栓的整個(gè)斷口分裂紋起始源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)3個(gè)區(qū)域。螺栓裂紋起始源區(qū)位于斷口一側(cè)的螺紋根部，向另一側(cè)擴(kuò)展至邊緣后斷裂。這說明螺栓承受的軸向載荷圓周不對(duì)稱，在裂紋源區(qū)一側(cè)高于另一側(cè)，即螺栓承受偏心彎矩作用。

斷口源區(qū)的另一側(cè)瞬斷區(qū)有一塊高溫加熱影響區(qū)域，斷口側(cè)面形貌也顯示出4 cm 長(zhǎng)度的類似于焊接或者氣割的螺紋損傷痕跡。根據(jù)車間了解，本次拆卸并未對(duì)螺栓進(jìn)行焊接或者氣割，應(yīng)該是以前拆裝時(shí)造成的。酸洗后的螺栓斷口形貌既顯示出宏觀裂紋擴(kuò)展時(shí)形成的條帶，又顯示出低倍微觀的小麻坑，說明螺栓斷裂可能與應(yīng)力腐蝕、高溫疲勞、高溫蠕變等失效機(jī)理有關(guān)。

2 螺栓斷口微觀檢測(cè)分析

將6 個(gè)斷口試樣用離子濺射儀噴金導(dǎo)電處理，用掃描電鏡分析6 個(gè)斷口微觀形貌，用能譜儀檢測(cè)3 個(gè)未酸洗試樣的斷口表面腐蝕產(chǎn)物成分（圖4）。螺栓的未酸洗斷口表面氧化腐蝕嚴(yán)重，覆蓋一層較厚的腐蝕層，遮蓋了原始斷口表面的微觀形貌，舊擴(kuò)展區(qū)斷口表面比較平坦，蠕變韌窩較淺；而新擴(kuò)展區(qū)斷口表面布滿了大大小小的蠕變韌窩。螺栓的未酸洗斷口表面的腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，未發(fā)現(xiàn)S、Cl 等其它應(yīng)力腐蝕敏感元素，說明螺栓不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

圖4 未酸洗試樣的源區(qū)斷口微觀形貌（50 倍）

經(jīng)過酸洗以后，露出螺栓的原始斷口微觀形貌，螺栓的舊擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌為準(zhǔn)解理特征，高溫蠕變韌窩特征不明顯，說明螺栓萌生裂紋以及擴(kuò)展初始階段，早期啟停機(jī)產(chǎn)生的疲勞占據(jù)主導(dǎo)因素，高溫蠕變起到輔助作用。螺栓的新擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌為韌窩孔洞，準(zhǔn)解理形貌基本消失，說明螺栓裂紋擴(kuò)展后期，有效承載截面積減小，高溫蠕變起主導(dǎo)作用，進(jìn)入一個(gè)快速擴(kuò)展的階段。

3 螺栓硬度檢測(cè)分析

在螺栓上截取5 個(gè)試件，用布氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度，每個(gè)試件測(cè)3 組硬度值（表1）。5 個(gè)螺栓試件的硬度總平均值為279 HBW，按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439—2006，螺栓材料25Cr2Mo1V 的硬度范圍為248～293 HBW，螺栓硬度雖然偏高，但仍在技術(shù)要求范圍內(nèi)，符合硬度要求。

表1 螺栓的硬度檢測(cè)結(jié)果HBW

4 螺栓沖擊功檢測(cè)與斷口分析

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007，在螺栓上截取3 個(gè)U 形缺口沖擊 試 件（10 mm ×10 mm ×55 mm），利用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試螺栓試件的沖擊功Ak。對(duì)比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439—2006，螺栓材料25Cr2Mo1V 的沖擊功Ak≥47 J。螺栓試件的沖擊功Ak 檢測(cè)值最大為16.0 J，最小為8.0 J，平均值為8.33 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的47 J，顯然螺栓的脆性很大。沖擊試驗(yàn)后的螺栓試件被完全沖斷，試件斷口無塑性變形痕跡，顯示出脆性斷裂特征。沖擊試件的斷口微觀形貌為脆性的解理類型，還有一些沿晶開裂特征，這說明螺栓材料脆性很大。沖擊試件的斷口里發(fā)現(xiàn)了一些帶狀非金屬夾雜物，其由很多個(gè)小顆粒夾雜物組成，這種類型夾雜物大大削弱了材料強(qiáng)度，增大材料脆性。

5 分析結(jié)論

（1）根據(jù)螺栓的斷口宏觀形貌和微觀形貌特征判斷，汽輪機(jī)多年里的上百次啟停機(jī)疲勞導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生裂紋；隨后裂紋的前期緩慢擴(kuò)展階段（對(duì)應(yīng)斷口舊擴(kuò)展區(qū)）以疲勞為主，蠕變?yōu)檩o；裂紋的后期快速擴(kuò)展階段（對(duì)應(yīng)斷口新擴(kuò)展區(qū)）完全以蠕變?yōu)橹?，所以，螺栓的斷裂失效性質(zhì)為疲勞+蠕變的復(fù)合類型。

（2）螺栓材料中含有較多的帶狀（B 類2.5 級(jí)）非金屬夾雜物，不但會(huì)減低螺栓的承載強(qiáng)度，而且會(huì)增大螺栓的脆性，這是造成螺栓斷裂的主要原因之一。螺栓處于500 ℃高溫環(huán)境，恰好處于合金鋼第二類（高溫）回火脆性（450～650 ℃）范圍，螺栓長(zhǎng)期（20 萬小時(shí)）使用造成其逐漸產(chǎn)生回火脆性，這也是造成螺栓斷裂的主要原因之一。螺栓斷口顯示其承受偏心載荷，造成緊固載荷偏心的可能性有：螺母端面不平造成緊固時(shí)偏心，螺栓以前拆裝時(shí)加熱產(chǎn)生輕微彎曲。偏心載荷是造成螺栓斷裂的次要原因。

（3）針對(duì)以上失效原因，采取了再次抽查其他規(guī)格未斷汽缸螺栓，檢測(cè)其沖擊韌性和金相組織，對(duì)沖擊功很低并且組織中夾雜物較少的螺栓，重新進(jìn)行熱處理以消除回火脆性；對(duì)螺栓沖擊功很低并且組織中夾雜物過多的螺栓，進(jìn)行報(bào)廢并更換新的汽缸螺栓，這些措施保證了汽缸螺栓未再發(fā)生斷裂事故。