超超臨界機組In783合金螺栓早期斷裂原因及其應用建議

王慶峰

(中國大唐集團科學技術(shù)研究總院有限公司 華北電力試驗研究院, 北京 100040)

20世紀90年代,美國Special Metals公司開發(fā)了第四代抗氧化低膨脹高溫合金Inconel alloy 783(簡稱In783),該合金為鎳鐵鈷基鐵磁性合金。與傳統(tǒng)低膨脹高溫合金比較,In783合金的居里溫度高,In783合金中加入了質(zhì)量分數(shù)為3%的Cr元素,同時Al元素的質(zhì)量分數(shù)升高到了5%。第4代抗氧化低膨脹高溫合金In783不僅具有高溫環(huán)境下的抗氧化性和抗腐蝕性,還具有足夠高的強度和低膨脹系數(shù),在700 ℃環(huán)境下仍然具有低膨脹系數(shù)和良好的機械加工性能,被用于生產(chǎn)壓縮機、渦輪機和排氣系統(tǒng)的安全殼和間隙控制元件,如密封環(huán)、隔熱環(huán)、機匣、密封墊等[1-3]。

近年來,隨著超超臨界技術(shù)的發(fā)展與應用,德國西門子公司將In783合金用于600 ℃等級汽輪機的中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)門的高溫緊固件等關(guān)鍵部件中,這是因為In783合金具有較好的抗氧化性能,以及具有和超超臨界機組典型9%～12% Cr馬氏體耐熱鋼缸體材料相匹配的膨脹系數(shù)。上海汽輪機廠也開始采用In783合金,并于2006年首次將其應用在我國首臺1 000 MW超超臨界機組中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)門的高溫螺栓上[4]。上海汽輪機廠可自主生產(chǎn)In783合金,目前該廠設(shè)計制造的超超臨界機組中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)門螺栓同時采用了國產(chǎn)In783合金(國內(nèi)牌號GH6783)。隨著In783合金螺栓的廣泛應用,In783合金螺栓出現(xiàn)大量早期斷裂的現(xiàn)象。除此之外,隨著清潔低碳高效發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,超超臨界機組將朝著更高參數(shù)的方向快速發(fā)展,高溫合金的使用比例將進一步增加。

1 In783合金螺栓早期斷裂原因分析

1.1 早期斷裂案例

In783合金螺栓為高溫螺栓,在超超臨界汽輪機的中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)門的使用過程中,In783螺栓出現(xiàn)了大量早期斷裂現(xiàn)象。如華能玉環(huán)電廠的1,2號機組上的螺栓為原裝進口In783合金螺栓,3,4號機組為國產(chǎn)In783合金螺栓,在檢修過程中這些螺栓均出現(xiàn)斷裂情況:2014年2月,2號機組斷裂1根螺栓,運行時間近8 a;2015年5月,4號機組斷裂或開裂15根螺栓,運行時間近8 a;2015年6月,1號機組斷裂或開裂多根螺栓,運行時間近9 a[4]。姜濤[5]等報道了某2×660 MW超超臨界機組汽輪機中壓調(diào)節(jié)門In783合金螺栓服役不到7個月,20根螺栓中有13根發(fā)生斷裂。謝澄[6]等報道了某超超臨界機組汽輪機中壓主汽門和中壓調(diào)節(jié)門In783合金螺栓在檢修中斷裂3根,機組累計啟停12次,累計運行時間3.1萬h;同廠另一臺同類型機組經(jīng)過緊急檢修后啟機不久,發(fā)現(xiàn)其兩側(cè)主汽門和調(diào)節(jié)門共29根In783螺栓發(fā)生斷裂。

據(jù)統(tǒng)計,浙江、江蘇等地24臺超超臨界機組的In783合金高溫螺栓中,中壓主汽門共159根螺栓斷裂,中壓調(diào)節(jié)門177根螺栓斷裂,其中安徽某電廠1臺機組中壓主汽門42根螺栓全部斷裂。In783合金螺栓的大量早期斷裂為超超臨界機組的安全穩(wěn)定運行帶來極大的安全隱患。

1.2 早期斷裂特征

In783合金螺栓發(fā)生大量早期斷裂現(xiàn)象,這些螺栓在斷口形貌、斷裂機理、斷裂部位及運行時間上存在一些共同的特征:① In783螺栓斷口典型宏觀形貌如圖1所示,從斷口形貌及斷裂機理上看,斷口無明顯塑性變形,有的呈現(xiàn)典型脆性斷裂特征,有的呈現(xiàn)疲勞斷裂特征,有的呈現(xiàn)脆性開裂+撕裂特征,從微觀形貌上看,斷口呈沿晶脆性開裂特征;② 斷裂部位主要有加熱孔底部退刀槽部位、螺栓腰部光桿部位、螺牙部位等;③ 隨著螺栓服役時間的延長,發(fā)生斷裂的螺栓數(shù)量明顯增加,運行3～4萬h后發(fā)生大量斷裂現(xiàn)象;國產(chǎn)及進口In783合金螺栓均呈現(xiàn)這種趨勢,但進口螺栓斷裂比例偏低,運行時間也偏長。

圖1 In783螺栓斷口典型宏觀形貌

1.3 早期斷裂原因分析

經(jīng)標準熱處理后的In783合金在650 ℃以下具有優(yōu)異的綜合性能,特別是較低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的抗蒸汽氧化性,但在實際服役過程中,In783合金螺栓卻出現(xiàn)了大量早期斷裂現(xiàn)象。國內(nèi)眾多發(fā)電企業(yè)和研究機構(gòu)對其斷裂原因進行了不同方面的分析。綜合認為,In783合金螺栓的斷裂與拆裝工藝不規(guī)范、制造質(zhì)量不良、材料服役后性能下降及負蠕變等因素有關(guān)。

1.3.1 拆裝工藝不規(guī)范

姜濤[5]等對某超超臨界660 MW汽輪機組的中壓調(diào)節(jié)門In783合金螺栓的斷裂現(xiàn)象進行分析。在螺栓安裝過程中,加熱棒局部高溫導致3根螺栓孔內(nèi)壁材料燒損,裂紋萌生于內(nèi)孔燒損處,在正常服役條件下,裂紋擴展導致螺栓發(fā)生斷裂。張守文[4]等也在斷裂的In783螺栓孔內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)電燒蝕坑,分析認為螺栓熱緊時電加熱棒破損,燒損了螺栓中心孔并形成燒蝕坑,在高溫、高壓及振動的工況下,燒蝕坑誘發(fā)了裂紋的萌生及擴展,最終引起In783螺栓的沿晶脆性開裂。

對于In783合金螺栓,廠家規(guī)定在熱緊時螺栓加熱溫度不允許超過600 ℃,并對電加熱設(shè)備的型號進行了限定。如不嚴格按照廠家螺栓熱緊規(guī)范進行操作,加熱棒的加熱溫度可能超過600 ℃,并造成螺栓中心孔局部出現(xiàn)燒損并產(chǎn)生裂紋源,裂紋萌生并發(fā)生擴展,最終導致In783合金螺栓發(fā)生斷裂。目前,多個發(fā)電企業(yè)針對In783合金螺栓的熱緊工藝進行優(yōu)化,包括加熱棒的選型與檢查、加熱溫度的限定與測量、螺栓孔冷卻后的清理與檢查等方面,從而避免熱緊過程中發(fā)生螺栓孔燒蝕現(xiàn)象[7-8]。發(fā)電企業(yè)應嚴格執(zhí)行廠家的螺栓拆裝工藝規(guī)定,借鑒優(yōu)秀發(fā)電企業(yè)的拆裝工藝成功經(jīng)驗,從而避免In783合金螺栓因拆裝工藝不規(guī)范而出現(xiàn)早期斷裂。

1.3.2 制造質(zhì)量不良

楊超等[9]對某電廠1 000 MW超超臨界火力發(fā)電機組汽輪機中調(diào)節(jié)門In783合金螺栓斷裂原因進行分析,發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂起源于中心孔壁,斷口以沿晶脆性斷裂形貌為主,斷裂性質(zhì)為應力加速晶界氧化(SAGBO)脆性斷裂。SAGBO脆性斷裂的產(chǎn)生是由于氧原子在應力的作用下更易沿晶界擴散,偏聚在晶界處的氧原子使晶界發(fā)生氧化,從而降低了晶界強度,最后導致晶界脆化;當局部晶界強度低于外加應力時,便會產(chǎn)生沿晶開裂現(xiàn)象,最后導致In783合金螺栓發(fā)生沿晶氧化開裂。在標準熱處理過程中,In783合金經(jīng)(843±8) ℃時效后,晶界處析出呈網(wǎng)狀分布的二次β相,從而使In783合金的SAGBO抗力顯著提高。在斷裂的In783合金螺栓顯微組織中,發(fā)現(xiàn)晶界處網(wǎng)狀二次β相不連續(xù)且含量偏低,說明斷裂螺栓的β時效處理不規(guī)范,是導致In783合金螺栓發(fā)生SAGBO的主要原因。彭以超等[10]認為斷裂螺栓In783合金固溶處理后的β時效處理不充分,導致合金中一次β相出現(xiàn)明顯偏析,呈條帶分布,且晶界處呈網(wǎng)狀分布的二次β相含量總體偏少。斷裂In783合金螺栓的疲勞裂紋基本沿晶擴展,主要是由于應力促進晶界氧化導致疲勞裂紋沿著氧化損傷區(qū)擴展,裂紋擴展速率由晶界氧化速率控制,與時間具有一定的相關(guān)性,斷裂的In783螺栓抗應力促進晶界氧化能力差的主要原因為晶界處缺乏呈網(wǎng)狀分布的二次β相。

In783合金的標準熱處理工藝為:① (1 121±10) ℃/1 h/空冷(固溶處理);② (843±8) ℃/2～4 h/空冷(β時效);③ (718±8) ℃/8 h/爐冷55 ℃/h至(621±8) ℃/8 h/空冷(γ′時效)。高溫(1 121±10) ℃固溶處理,其目的是消除成分偏析,并溶解部分第二相,強化固溶體,并為后續(xù)時效做準備。經(jīng)過(843±8) ℃時效后,二次β相在晶界處呈網(wǎng)狀分布,從而使In783合金的SAGBO抗力顯著提高。顆粒狀的一次β相和晶界處析出的網(wǎng)狀二次β相起到了明顯抑制晶粒長大和強化晶界的作用。合金經(jīng)(843±8) ℃時效處理后,二次β相在晶界處呈網(wǎng)狀分布,同時在晶內(nèi)析出了較為粗大的γ′相。再經(jīng)過(718±8) ℃和(621±8) ℃兩段時效處理后,在上一級時效處理中,析出的部分粗大γ′相回溶,使粗大的γ′相含量降低,同時在合金基體中析出更為細小的γ′相。γ′相晶體結(jié)構(gòu)為Cu3Au型面心立方有序結(jié)構(gòu),Al原子位于角上,Ni原子位于面心;γ′相通常在基體中彌散均勻形核、共格析出,并且兩者點陣常數(shù)相近,因此錯配度較小,具有界面能低而穩(wěn)定性高的特點;同時,γ′相本身具有很高的強度,并且在一定溫度范圍內(nèi),強度與溫度成正比,同時還具有一定的塑性,這些特點使得更為細小均勻彌散分布的γ′相對In783合金的強度起到了決定性作用[11]。賈新云等[12]研究了β時效對In783合金組織及性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,In783合金經(jīng)過β時效處理后,晶界上分布著鏈狀的二次β相,基體中分布著兩種尺寸的γ′相;未經(jīng)β時效處理的組織中只存在初生β相和一種尺寸的γ′相;從力學性能上看,經(jīng)過β時效處理In783合金的高溫拉伸強度、塑性和持久塑性明顯優(yōu)于未經(jīng)β時效處理的In783合金。由此可見,β時效處理對In783合金組織的性能及In783螺栓的服役性能有著重要的影響。廠家應嚴格執(zhí)行三級時效熱處理工藝,保證In783合金優(yōu)良的力學性能和SAGBO抗力,從而避免In783合金螺栓發(fā)生SAGBO脆性斷裂。

1.3.3 材料服役后性能下降

陶思友[13]采用未服役、服役1.3萬h和服役3.9萬h的In783合金螺栓,系統(tǒng)地研究了服役時間對In783合金螺栓組織及性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:In783合金螺栓在服役過程中,一次β相數(shù)量減少,二次β相數(shù)量增加,尺寸增大,連接形成“帶狀組織”,影響組織的連續(xù)性和均勻性。同時,二次β相內(nèi)部析出了Ni5Al3相,破壞了二次β相原有的奧氏體結(jié)構(gòu)。這一變化導致二次β相帶來的SAGBO減弱,晶界腐蝕更易發(fā)生;另一方面,二次β相自身強度下降,顯微硬度分別降低了23 HV和33 HV,對In783合金螺栓晶界的強化效果減弱,導致合金高溫性能下降,延伸率分別降低了46.9%和49.3%。除此之外,合金的另外一個主要強化相γ′相在服役過程中持續(xù)粗化,從未服役時的53 nm到服役1.3萬h的60 nm,再到服役3.9萬h的74 nm,導致合金在600 ℃下屈服強度上升,分別提高了3.8%和9.1%。從性能變化規(guī)律上看,在服役過程中,隨著服役時間的延長,In783合金螺栓的屈服強度呈上升趨勢,分別提高了3.8%和9.1%;抗拉強度略有降低,延伸率呈下降趨勢。研究結(jié)果進一步指出,In783合金螺栓在長期的高溫環(huán)境下服役相當于在應力狀態(tài)下經(jīng)過了高溫時效,導致γ′相持續(xù)粗化,位錯越過析出相所需的剪切力增大,宏觀表現(xiàn)為材料的屈服強度上升。但由于材料的延伸率下降,在高溫拉伸過程中,材料快速進入斷裂階段,從而宏觀上表現(xiàn)為材料的抗拉強度沒有隨著屈服強度的增大而增大,反而略有降低。高溫拉伸斷口形貌分析也表明,隨著服役時間的延長,In783合金螺栓在拉伸過程中進入裂紋快速擴展階段的時間越來越短,塑性變形階段越來越短,與力學性能結(jié)果相符。國內(nèi)眾多對In783合金螺栓開裂的原因分析均表明[14-15],In783合金螺栓在600 ℃服役過程中因高溫及應力狀態(tài)下的顯微組織發(fā)生變化,引起了螺栓力學性能的劣化,特別是塑性和韌性降低,增加了In783合金螺栓脆性開裂的風險。

在火電機組服役的過程中,螺栓部件由于受到較高的溫度、復雜的應力和環(huán)境介質(zhì)的綜合影響,長周期服役后會產(chǎn)生組織老化、性能劣化等變化,也是造成螺栓部件失效的重要原因之一。從以上案例可以看出,In783合金螺栓在服役狀態(tài)下的顯微組織發(fā)生變化,引起了材料性能劣化,特別是塑性和韌性降低。塑性和韌性降低意味著螺栓的承載能力下降,缺口敏感性增加,一旦萌生微裂紋,就可能導致螺栓的脆性斷裂。因此,發(fā)電企業(yè)應對服役時間較長的螺栓進行檢驗,對存在組織老化、性能劣化或者存在缺陷的螺栓進行更換處理。建議研究機構(gòu)針對In783合金螺栓服役狀態(tài)下組織性能的變化規(guī)律進一步研究,建立組織變化與性能劣化的關(guān)系,科學評價服役后In783合金螺栓脆性開裂的風險,并制定In783螺栓的更換與報廢準則,從而防止運行狀態(tài)下In783合金螺栓發(fā)生斷裂。

1.3.4 負蠕變

在高溫并受拉伸應力的作用下,金屬材料會隨時間而逐漸伸長,稱為高溫蠕變。如果與此相反,在一定條件下,材料在高溫和應力作用下隨時間而逐漸縮短,稱為負蠕變[16]。金屬材料的變形與外加載荷的方向相反,這與熱力學第一定律相矛盾。關(guān)于這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,目前普遍認可的解釋是材料體系內(nèi)部能量的減少大于外部應力產(chǎn)生的作用。許多學者對高溫合金中出現(xiàn)的負蠕變現(xiàn)象進行了研究,包括高溫合金負蠕變產(chǎn)生的機制,建立負蠕變模型等。通常認為材料的負蠕變與初始應力大小、時間、化學成分、材料的熱處理等復雜的相互作用有關(guān)[17]。負蠕變的解釋模型主要有兩種[17]:一種是將負蠕變歸因于基體組織的有序化轉(zhuǎn)變,是否出現(xiàn)負蠕變?nèi)Q于有序化轉(zhuǎn)變引起的體積收縮與預載荷造成的變形量;另一種解釋認為,由于材料組織的不穩(wěn)定,例如基體中析出第二相,使比容減小而引起收縮。按照這兩種模型,很多金屬都可能出現(xiàn)負蠕變現(xiàn)象,但蠕變抗力低的金屬在松弛曲線上不出現(xiàn)或者呈現(xiàn)很小的負蠕變,蠕變抗力越高的金屬負蠕變現(xiàn)象越強。

Special Metals公司SARWAN等對In783合金在593 ℃和704 ℃下的熱穩(wěn)定性進行了研究。研究過程中發(fā)現(xiàn)標準熱處理態(tài)的In783合金在593 ℃下的等溫時效過程中出現(xiàn)了明顯收縮現(xiàn)象。并且在3次獨立試驗過程中均出現(xiàn)了類似現(xiàn)象。In783合金在593 ℃等溫時效200 h后出現(xiàn)了明顯收縮,當時效時間達到600 h后,收縮率達到了一個穩(wěn)定值0.02%,這可能與負蠕變現(xiàn)象相關(guān)。研究表明,對于一些高溫合金,負蠕變通常在高溫和低應力條件下出現(xiàn)。許多鎳基高溫合金都存在負蠕變現(xiàn)象,如R26、Alloy617、Nimonic80A[18]、Nimonic90等。彭以超等[18]研究了負蠕變行為對Nimonic80A合金螺栓頻繁斷裂的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明Nimonic80A合金螺栓在長期低于525 ℃的服役過程中,合金內(nèi)部發(fā)生Ni2Cr有序轉(zhuǎn)變,從而產(chǎn)生負蠕變,導致螺栓應力增大,最終在螺紋應力集中最大的局部區(qū)域產(chǎn)生過載開裂,是Nimonic80A合金螺栓頻繁發(fā)生斷裂的關(guān)鍵原因。

SARWAN等的試驗結(jié)果表明,In783合金在593 ℃下等溫時效200 h后出現(xiàn)了明顯收縮,即出現(xiàn)了負蠕變現(xiàn)象。In783合金螺栓在超超臨界機組上服役溫度為600 ℃,接近593 ℃。因此,In783合金螺栓在超超臨界機組中壓主汽門和調(diào)節(jié)門的應用過程中出現(xiàn)負蠕變是具有一定可能性的。服役溫度下的負蠕變現(xiàn)象將使In783合金螺栓的工作應力增加,特別是服役初期工作應力增大,給服役狀態(tài)下的In783合金螺栓增加了不利因素。在謝澄[6]等關(guān)于In783螺栓的斷裂案例中,啟動機器后不久便發(fā)現(xiàn)中壓主汽門閥蓋有蒸汽冒出,兩側(cè)主汽門和調(diào)節(jié)門共發(fā)現(xiàn)29根螺栓斷裂,這可能與In783螺栓的負蠕變現(xiàn)象直接相關(guān)。因此,在計算螺栓預緊力的過程中,應高度重視并重點考慮負蠕變帶來的不利影響。

2 綜合分析

綜合分析認為,超超臨界機組In783合金螺栓大量早期斷裂的原因與拆裝工藝不規(guī)范、螺栓制造質(zhì)量不良、材料服役后性能下降及負蠕變等諸多因素相關(guān)。在眾多因素中,拆裝工藝不規(guī)范和螺栓制造質(zhì)量不良可能會導致部分發(fā)電機組In783合金螺栓早期斷裂,而In783合金螺栓在整個超超臨界機組中出現(xiàn)大量早期斷裂可能與In783材料服役后性能下降及負蠕變的影響因素更為密切。程光坤等基于In783合金螺栓的冶煉技術(shù)、熱處理和安裝工藝的嚴格要求,認為國內(nèi)工藝質(zhì)量和安裝質(zhì)量很難滿足要求,提出In783合金螺栓不適合作為中壓汽門螺栓材料使用的論點,并提出采用1Cr11Co3W3NiMoVNbNB材料替代In783合金材料應用于超超臨界機組中壓汽門螺栓的方案,并將該方案成功應用于多臺發(fā)電機組。針對斷裂螺栓的栽絲端螺紋受力的1～3個螺牙之間發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象,結(jié)合理論計算和試驗驗證,判斷In783合金螺栓斷裂是安裝緊力過大所致。并堅持認為In783合金螺栓在中壓汽門上的應用是安全可靠的,在拆裝過程中,須嚴格按照廠家的操作規(guī)范和工具工裝執(zhí)行。

關(guān)于In783合金螺栓大量早期斷裂的原因仍需進一步研究,特別是針對In783合金材料服役后性能下降及負蠕變影響因素的研究,以推進In783合金及其他高溫合金在高參數(shù)超超臨界機組上的進一步應用。

3 總結(jié)與建議

In783合金中鋁元素含量較高、鉻無素含量較低,使該合金同時具備了較強的抗氧化性能和較小的熱膨脹系數(shù),最終使該合金在600～800 ℃具有良好的綜合性能。然而,在實際服役過程中,In783合金螺栓出現(xiàn)了大量早期斷裂現(xiàn)象。綜合分析認為,In783合金螺栓的斷裂與拆裝工藝不規(guī)范、制造質(zhì)量不良、材料服役后性能下降和負蠕變等諸多因素相關(guān)。基于討論結(jié)果,針對In783合金螺栓的進一步應用提出以下建議。

(1) 螺栓拆裝工藝嚴格按照制造廠的操作規(guī)范和工具工裝執(zhí)行,避免螺栓中心孔燒蝕和安裝緊力過大。

(2) 嚴格按照標準熱處理工藝對螺栓進行熱處理,保證β時效效果,提高SAGBO抗力。

(3) 對服役時間較長的螺栓進行檢驗,對于存在組織老化、性能劣化或者存在缺陷的螺栓進行更換處理。

(4) 在計算螺栓預緊力的過程中,應高度重視并重點考慮負蠕變帶來的不利影響。

超超臨界火電機組正向著更高參數(shù)的方向發(fā)展,高溫合金應用于高參數(shù)超超臨界火電機組成為一種必然趨勢。為了進一步推進高溫合金在高參數(shù)超超臨界機組上的應用,針對高溫合金在服役過程中組織性能的變化規(guī)律和負蠕變的研究仍需進一步加強。