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        2018-06-11 03:42:18黃友橋彭以超樓玉民
        浙江電力 2018年5期
        關(guān)鍵詞:斷口汽輪機(jī)形貌

        黃友橋,王 飛,彭以超,樓玉民

        (1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 蘭溪 321100;2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司,杭州 310003)

        Nimonic 80A螺栓是一種鎳基高溫合金,是以Ni和Cr為基加Al和Ti時效硬化型合金,在650~800℃時具有抗蠕變性能和抗氧化性能[1]。Nimonic 80A合金的合金化程度較低,含Al(1.0%~1.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同))、 Ti(1.8%~2.7%)作為 γ相的生成元素[2]以強(qiáng)化合金,含Cr(18%~21%)使合金具有良好的耐腐蝕性能。合金基體相對較純凈,由于不含W,Mo,Nb等碳化物形成元素,降低了因碳化物過多使晶界變脆而使得塑性減弱的可能[3]。

        1 概況

        蘭溪發(fā)電廠2號機(jī)組汽輪機(jī)于2016年6月完成通流改造,高、中壓內(nèi)缸整體更換。2016年11月發(fā)現(xiàn)高壓缸有漏汽現(xiàn)象,2017年5月2日揭缸后發(fā)現(xiàn)高壓內(nèi)缸法蘭螺栓存在斷裂情況。如圖1所示,左側(cè)螺栓U1和U3斷,右側(cè)螺栓U2斷和U4裂。發(fā)生斷裂的螺栓材質(zhì)均為Nimonic 80A(NiCr20TiAl),U1和U2規(guī)格為 M160×849 mm, U3和U4規(guī)格為M160×863 mm。高、中壓內(nèi)缸其他螺栓的材質(zhì)為X19CrMoVNb,經(jīng)超聲波檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷,高、中壓內(nèi)缸的缸體未發(fā)生明顯變形。

        圖1 斷裂螺栓安裝位置

        2 宏觀檢查

        對螺栓U1-U3的中心孔進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查,中心孔內(nèi)壁均未發(fā)現(xiàn)明顯異常;對螺栓U4的中心孔也進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查,與外緣開裂位置對應(yīng)的中心孔內(nèi)壁未裂穿,說明裂紋是由外向內(nèi)發(fā)展[4]。

        圖2為2號汽輪機(jī)螺栓U3斷面宏觀形貌。裂紋從螺牙的根部外緣萌發(fā),向螺栓的中心孔擴(kuò)展;螺栓斷口起裂區(qū)較小,擴(kuò)展迅速,呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂特性。

        圖2 2號汽輪機(jī)螺栓U3斷面宏觀形貌

        圖3為2號汽輪機(jī)螺栓U2斷面宏觀形貌。螺紋根部存在多處起源;斷口呈相對平坦的脆性破壞;在最終剪切過載斷裂區(qū)域前有小區(qū)域平滑疲勞裂紋傳播;斷裂后斷口存在局部微動損傷。

        圖3 2號汽輪機(jī)螺栓U2斷面宏觀形貌

        圖4為2號汽輪機(jī)螺栓U4斷面宏觀形貌。斷口從螺紋一側(cè)根部多處起源;早期斷裂區(qū)域相對平坦,呈脆性斷口且沿螺栓軸線方向;后期斷裂為與螺栓軸線呈45°方向;在最終剪切過載斷裂區(qū)域前有小區(qū)域平滑疲勞裂紋傳播;有紅褐色變色[5-6]。

        圖4 2號汽輪機(jī)螺栓U4斷面宏觀形貌

        3 成分分析

        采用直讀式光譜儀對螺栓樣品進(jìn)行成分分析,檢測結(jié)果見表1。

        表1 螺栓化學(xué)成分檢測結(jié)果

        分析結(jié)果顯示,螺栓樣品的牌號為Nimonic 80 A,其成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        4 力學(xué)性能分析

        對螺栓樣品進(jìn)行常溫布氏硬度分析,結(jié)果見表2??梢钥闯?,所檢驗(yàn)螺栓的布氏硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表2 螺栓樣品布氏硬度分析

        對螺栓樣品進(jìn)行常溫沖擊性能分析,基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求,見表3。

        表3 螺栓樣品常溫(20℃)沖擊試驗(yàn)分析

        對螺栓樣品腰部切割3只片狀試樣(圖5)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果見表4。2-U3樣品1斷后延伸率略低于標(biāo)準(zhǔn)要求,其他試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率都符合Nimonic 80A牌號材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。值得一提的是,雖然拉伸試樣斷裂前延伸率達(dá)到24%~26%,但是斷口附近基本無頸縮,即斷裂瞬間仍呈現(xiàn)脆性[7]。

        圖5 螺栓樣品常溫拉伸試樣

        表4 螺栓樣品常溫拉伸試驗(yàn)分析

        對常溫拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡分析,見圖6。可以看出,斷口也基本呈沿晶斷口,并且存在較多二次裂紋,與服役時斷裂螺栓的斷口類似。由于應(yīng)變速率相對較快,因此斷裂晶面上也存在許多細(xì)小韌窩,韌窩內(nèi)分布著碳化物顆粒[8]。

        5 顯微組織分析

        圖7為2號汽輪機(jī)螺栓U2的斷面顯微形貌。可以看出,裂紋源附近和中心孔附近基本為沿晶斷裂,并且存在較多二次裂紋。

        圖6 螺栓樣品常溫拉伸試樣斷口形貌

        2號汽輪機(jī)螺栓U3金相組織如圖8所示。取樣位置如圖8(a)所示。樣品螺栓的金相中存在明顯的帶狀偏析(圖8(b)),偏析條帶和非偏析條帶之間的晶粒大小嚴(yán)重不均勻,細(xì)晶區(qū)的晶粒度約為6~7級,粗晶區(qū)的晶粒度約為3~4級。如圖8(c)所示,斷口附近有大量裂紋,均為沿晶開裂,其中縱向裂紋大多從粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)的交界處萌發(fā)。距斷口較遠(yuǎn)的局部區(qū)域也發(fā)現(xiàn)裂紋的存在。

        圖7 2號汽輪機(jī)螺栓U2的斷面顯微形貌

        圖9為蘭溪發(fā)電廠4號汽輪機(jī)斷裂螺栓U2的顯微組織。斷裂螺栓的金相中存在明顯的帶狀組織(圖9(a)),帶狀組織由大量的析出物所組成。析出物成分為一般為CrnCm,形狀多為沿軸向的條狀或者蠶豆?fàn)?,長度3~15 μm,少數(shù)為圓球狀,在晶界和晶粒內(nèi)部均有分布(圖9(b))。析出相的帶狀分布導(dǎo)致晶粒度也呈帶狀分布,大小嚴(yán)重不均勻,構(gòu)成典型的晶粒雙峰分布。圖9(c),9(d)為橫截面金相,也可以看出明顯的混晶組織。

        斷口附近裂紋主要為沿晶裂紋(圖 9(e), (f)),并且裂紋主要在粗晶區(qū)擴(kuò)展,這可能與細(xì)晶區(qū)裂紋擴(kuò)展需消耗較多能量有關(guān)。

        6 負(fù)蠕變效應(yīng)對于Nimonic 80A螺栓的影響

        鋼和合金在高溫下受拉伸應(yīng)力的作用會隨時間而逐漸伸長,這稱為高溫蠕變。與此相反,如果在一定條件時材料在高溫和應(yīng)力作用下隨時間逐漸縮短,則稱為負(fù)蠕變[9]。圖10為使用Jmat-Pro材料性能計(jì)算軟件并結(jié)合Ni基數(shù)據(jù)庫計(jì)算得到的Nimonic 80A合金平衡狀態(tài)相圖,可以看出在平衡狀態(tài)下約530℃以下會出現(xiàn)有序相Ni2Cr相的轉(zhuǎn)變。對于Nimonic 80A螺栓來說,由于采用固溶后水淬并在其后的2次時效處理基本都是700℃以上[10],因此避開了Ni2Cr相的析出溫度,使得正常Nimonic 80A螺栓中只有γ,γ′和一些碳化物[11-12],而沒有Ni2Cr相[13]。Ni80合金基體γ相主要為Ni和Cr,通常來說Ni原子和Cr原子處于固溶狀態(tài),是一種無序結(jié)構(gòu);但是在比較長的時間和相對低的溫度服役后,晶格原子Ni,Cr的有序化會發(fā)生,形成具有化學(xué)計(jì)量成分的Ni2Cr相。有序化轉(zhuǎn)變經(jīng)常出現(xiàn)在幾千小時時效以后,由于時效過程中使得 γ′-Ni3(Al, Ti)繼續(xù)析出長大,降低了γ相中的Ni含量,使得γ基體成分越接近2∶1,Ni2Cr有序化轉(zhuǎn)變速度越快,即有序化轉(zhuǎn)變速度與γ基體成分偏離2∶1的程度息息相關(guān)[14]。

        圖8 2號汽輪機(jī)螺栓U3金相組織

        圖9 4號汽輪機(jī)螺栓U2金相組織

        圖10 Nimonic 80A合金平衡相圖

        對于Nimonic 80A合金,有序化轉(zhuǎn)變會造成較大范圍內(nèi)晶格收縮約0.1%,從而導(dǎo)致應(yīng)力增加,即產(chǎn)生負(fù)蠕變。 圖11(a),(b)分別為Nimonic 80A在固定應(yīng)變時(分別為0.1%和0.15%)不同溫度下的應(yīng)力松弛曲線[15-16],可以看出,在溫度大于500℃時Nimonic 80A表現(xiàn)出正常的應(yīng)力松弛行為(即殘余應(yīng)力隨時間逐漸下降);而當(dāng)溫度低于500℃時,由于Ni2Cr有序化轉(zhuǎn)變造成的晶格收縮變成主要影響因素,可以看出比較明顯的負(fù)蠕變行為。

        據(jù)廠家提供資料,蘭溪發(fā)電廠2號、4號汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸法蘭螺栓溫度為500℃以下,恰好處于Nimonic 80A合金的有序化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間,從圖11可以看出服役1 000 h后材料內(nèi)部應(yīng)力增大非常明顯(螺栓緊固應(yīng)變?yōu)?.225%)。如果在該溫度下長時間運(yùn)行會產(chǎn)生比較明顯的負(fù)蠕變,造成螺栓內(nèi)部應(yīng)力超過設(shè)計(jì)應(yīng)力甚至過載,這可能是造成Nimonic 80A高壓內(nèi)缸螺栓斷裂的一個重要原因。而2號、4號汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸法蘭螺栓部位溫度較高(500℃以上),負(fù)蠕變效應(yīng)在動力學(xué)上較為緩慢,螺栓內(nèi)應(yīng)力仍在設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍內(nèi),因此中壓內(nèi)缸Nimonic 80A螺栓沒有發(fā)生斷裂。值得一提的是,由于螺栓處沒有溫度測點(diǎn),因此具體高、中壓內(nèi)缸螺栓實(shí)際溫度范圍還需要進(jìn)行深入分析,以評估負(fù)蠕變對于螺栓內(nèi)應(yīng)力的影響。

        圖11 Nimonic 80A應(yīng)力松弛曲線

        7 應(yīng)力腐蝕開裂

        對送檢螺栓進(jìn)行了能譜分析,未檢測出Cl,S2等腐蝕性元素成分。但是其中一顆送檢螺栓被檢測出含有Mo元素,考慮到MoS2對鎳基螺栓存在一定的腐蝕性,且防咬合劑中常含有此類元素,螺栓在負(fù)蠕變的情況下,應(yīng)力腐蝕也可能是Nimonic 80A高壓內(nèi)缸螺栓斷裂的原因之一。

        8 結(jié)論

        Nimonic 80A螺栓高溫失效可能與以下因素有關(guān):螺栓晶粒大小不均勻,存在明顯的帶狀組織;Nimonic 80A螺栓材料與缸體材料膨脹不同步,且該材料在500℃以下某一溫度區(qū)間會出現(xiàn)負(fù)蠕變現(xiàn)象,造成應(yīng)力上升從而容易在應(yīng)力最集中部位開裂;防咬合劑中的腐蝕元素引起應(yīng)力腐蝕開裂。

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