汽輪機高溫螺栓斷裂原因

陳亮平, 何朋非, 張仁魁

(湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司, 長沙 410000)

隨著國內火力發電機組裝機容量和熱效率的不斷提高，汽輪機的蒸汽壓力也越來越高，這對汽輪機高溫部件的材料性能也提出了更高的要求。比如汽輪機上的高溫螺栓在保證氣缸中分面的氣密性上發揮著重要的作用，高溫螺栓一般采用高溫性能優異的熱強材料制造[1-2]。20Cr1Mo1VNbTiB鋼為珠光體熱強鋼，其具有較高的持久強度和較好的抗松弛性能，常用于制造汽輪機的高溫螺栓[3-5]。

某電廠的發電機組在運行過程中,其中聯門高溫螺栓發生斷裂失效，該機組運行時長47 341 h，螺栓材料為20Cr1Mo1VNbTiB鋼，螺栓規格為M56 mm×4 mm×310 mm。筆者對該斷裂螺栓進行了一系列檢驗和分析，并選取另外一個同批次、同材料的未斷裂螺栓進行對比，找出了該高溫螺栓的斷裂原因，以期類似事故不再發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂螺栓的整體形貌和斷面形貌如圖1和圖2所示。可見斷裂部位在螺栓桿部，斷口距端面約130 mm。斷面平整，呈顆粒狀，無塑性變形，為典型的脆性斷口。觀察螺栓外表面，可見螺紋表面光滑，無凹痕、裂紋、銹蝕、毛刺或其他引起應力集中的缺陷。

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt

圖2 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

1.2 化學成分分析

在斷裂螺栓和對比螺栓的螺桿中部進行線切割取樣，將切割面在砂紙上磨平并用酒精清洗后，采用牛津FOUNDRY-MASTER Pro型全譜立式直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果見表1。可見其化學成分符合DL/T 439—2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》對20Cr1Mo1VNbTiB鋼的成分要求。

表1 螺栓的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of bolts (mass fraction) %

1.3 力學性能試驗

在斷裂螺栓和未斷螺栓上分別取硬度試樣、拉伸試樣和U型缺口沖擊試樣，采用UTM5105型萬能材料試驗機對其進行室溫拉伸試驗，測定其抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率，采用JBN-300型沖擊試驗機測定其室溫沖擊吸收能量，采用HB-3000型布氏硬度計測定其布氏硬度，試驗結果見表2。結果表明，螺栓的硬度、抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合標準要求，但是斷裂螺栓的沖擊吸收能量僅為25 J，遠低于標準要求，表明斷裂螺栓材料的脆性大，抵抗沖擊載荷的能力低。未斷裂螺栓的沖擊吸收能量為86 J，符合標準要求。

表2 螺栓的力學性能試驗結果Tab.2 Mechanical properties test results of bolts

1.4 宏觀組織檢驗

按DL/T 439-2018推薦方法對斷裂螺栓和未斷裂螺栓的端面及斷裂螺栓斷口處橫截面進行宏觀組織檢驗，如圖3所示。在不同角度的光線下斷裂螺栓端面及斷口處橫截面均呈現出不同色澤與光亮度的多邊形顆粒斑塊，肉眼可見粗大的晶粒，采用放大鏡觀察可知晶粒平均直徑在2 mm以上，即斷裂螺栓的組織由宏觀粗晶組成。

20Cr1Mo1VNbTiB鋼粗晶的形成與制造、熱處理等生產工藝有關，屬于過熱組織。熱加工過程溫度達到Ac1(珠光體向奧氏體轉變的初始溫度)以上，或鋼材多次加熱至奧氏體再結晶溫度以上后快速冷卻就會形成粗晶。在長期高溫高壓環境下，過熱組織中碳化物逐步析出，會使材料的沖擊韌性下降。

1.5 金相檢驗

在螺栓螺桿部位取樣進行金相檢驗，如圖4所示。可見斷裂螺栓的顯微組織為貝氏體，晶粒度級別為1級，晶內的排狀貝氏體交叉分布，呈框架狀結構。未斷螺栓的顯微組織為細晶狀貝氏體，晶粒度級別為5級。金相檢驗結果表明斷裂螺栓的晶粒度級別不符合DL/T 439-2018《大力發電廠高溫緊固件技術導則》中晶粒度級別為5級的要求。

圖4 螺栓的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of bolts:a) microstructure morphology of the fractured bolt; b) microstructure morphology of the unfractured bolt

1.6 斷口分析

采用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察斷裂螺栓的斷口形貌。斷口形貌如圖5a)所示，斷口表面已被致密氧化物完全覆蓋，通過能譜分析得知該氧化物為Fe2O3，能譜(EDS譜)如圖5b)所示。由于斷裂螺栓在運行過程中斷裂，斷口長時間暴露在高溫環境下，致使斷口表面生成致密的氧化膜，因此螺栓的斷裂信息很難從斷口上直接觀察。筆者通過拉伸和沖擊試樣的斷口來觀察材料的斷口形貌，判斷螺栓的斷裂模式。

圖5 斷裂螺栓的斷口微觀形貌及能譜分析結果Fig.5 Micro morphology and energy spectrum analysis results of fracture of the fractured bolt:a) micro morphology of fracture; b) EDS spectrum

將拉伸和沖擊試樣的斷口置于掃描電鏡下觀察,拉伸和沖擊試樣斷口形貌如圖6所示。其中圖6a)和圖6b)為低倍下的拉伸和沖擊斷口形貌，可見拉伸斷口斷面剪切唇區很小，約占斷裂面積的15%，整個斷面以放射區為主，基本沒有纖維區，通過斷口宏觀形貌判斷該材料的韌性很差。圖6c)為高倍觀察下的拉伸斷口形貌，斷面以解理為主，少量韌窩夾雜其中，整個斷面形貌符合準解理斷裂特征。圖6d)為高倍觀察下的沖擊斷口形貌，可見斷面基本為放射區，整個斷面大多為解理面。圖6表明試樣斷裂屬于解理斷裂，說明材料脆性很大。

圖6 拉伸和沖擊試樣斷口微觀形貌Fig.6 Micro morphology of fracture of tensile and impact specimens:a) low magnification morphology of fracture of tensile specimen; b) low magnification morphology of fracture of impact specimen;c) high magnification morphology of fracture of tensile specimen; d) high magnification morphology of fracture of impact specimen

2 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知，螺栓化學成分、室溫拉伸性能、硬度等指標符合標準要求。斷裂螺栓組織晶粒粗大，晶粒度級別為1級，晶內交叉分布的排狀貝氏體呈框架狀結構，導致材料脆性很大；拉伸和沖擊斷口的斷裂特征表明材料為解理斷裂，加上沖擊吸收能量遠低于標準要求，再次證明材料脆性很大。汽輪機高溫螺栓在高溫、高應力、蒸汽腐蝕等復雜工況下工作，這要求螺栓材料具有較高的高溫蠕變持久強度、較低的線膨脹系數、較好的抗松弛性能、良好的抗應力腐蝕能力、較低的缺口敏感性及較好的抗氧化性能。而該斷裂螺栓材料存在粗晶，因此其組織異常導致了材料脆性過大，不能承受啟、停機及機組負荷波動帶來的沖擊應力。

3 結論及建議

該汽輪機的高溫螺栓的晶粒較粗大，且長期在高溫高壓環境下服役，造成碳化物逐步析出、材料沖擊韌性下降，在機組啟、停機及機組負荷波動帶來的沖擊應力下，該高溫螺栓發生了脆性斷裂。

建議火電廠在進行機組檢修時，對汽輪機高溫螺栓進行100%超聲檢驗、100%硬度檢驗，對超聲檢驗和硬度檢驗結果不合格的螺栓，予以更換。