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(wǎng)電力科技股份有限公司，廣州 510080)

汽輪機(jī)汽缸水平中分面的密封性對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)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(jié)合處產(chǎn)生較大的壓緊力，在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況運(yùn)行過程中可以保證汽缸中分面的密封性。如果在機(jī)組運(yùn)行中高溫螺栓斷裂，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。高溫螺栓在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)逐漸老化，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行驗(yàn)收、檢驗(yàn)、檢修等程序以減少高溫螺栓失效的發(fā)生。按照失效機(jī)理，常見的高溫螺栓失效形式有疲勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)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(dāng)，金相組織不合格，強(qiáng)度不合適；螺栓材料有缺陷，例如材料偏析；螺栓本身結(jié)構(gòu)不合理或加工不當(dāng)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；螺栓所受的附加應(yīng)力過大；螺栓預(yù)緊力過大等[4-8]。

筆者對(duì)汽輪機(jī)高壓調(diào)汽閥高溫螺栓的斷裂失效進(jìn)行探究，全面分析斷裂的原因及機(jī)理，提出相應(yīng)措施避免類似斷裂失效的發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

某電廠600 MW機(jī)組在高壓調(diào)汽閥解體檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)高溫螺栓斷裂，該螺栓材質(zhì)為20Cr1Mo1VNbTiB，規(guī)格為M76×340(公稱直徑為76 mm、螺紋長(zhǎng)度為340 mm)，帶中心孔結(jié)構(gòu)。20Cr1Mo1VNbTiB是我國(guó)自主研制的貝氏體耐熱鋼，具有較高的持久強(qiáng)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(zhì)[9-10]

1.1 宏觀分析

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

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌

斷口表面大部分區(qū)域已經(jīng)氧化腐蝕，經(jīng)物理方法反復(fù)清洗后，得到宏觀斷口形貌見圖2，裂紋擴(kuò)展方向?yàn)閳D2中箭頭所指方向。由圖2可得：斷裂發(fā)生在高壓調(diào)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(fā)，向中心孔擴(kuò)展；裂紋起源區(qū)較小，擴(kuò)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(qū)—開裂源區(qū)；B區(qū)—裂紋擴(kuò)展區(qū)；C區(qū)—裂紋瞬斷區(qū)。圖2 斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用FOUNDRY-MASTER Optimum 臺(tái)式真空火花發(fā)射光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，表1中同時(shí)列出DL/T 439—2018 《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中20Cr1Mo1VNbTiB的標(biāo)準(zhǔn)成分，以進(jìn)行比較。由表1可得：斷裂螺栓的材料各元素含量基本與標(biāo)準(zhǔn)成分一致，但其中Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.68%，低于標(biāo)準(zhǔn)成分要求(0.75%～1.00%)，而Si含量和Ti含量則略高于標(biāo)準(zhǔn)成分要求。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)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(jīng)拋光后，用硝酸體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣浸蝕，然后采用奧林巴斯GX51金相顯微鏡進(jìn)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(jí)，屬于微觀中等粗晶，不能滿足DL/T 439—2018中規(guī)定20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓的非套晶結(jié)構(gòu)晶粒度應(yīng)為5級(jí)的要求。

1.4 斷口分析

采用配有能譜儀的Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察。圖4是開裂源區(qū)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(qū)斷口的少許部位呈準(zhǔn)解理花樣，并有河流花樣和二次裂紋，表明開裂源區(qū)的斷裂屬于脆性斷裂。

圖4 開裂源區(qū)的SEM形貌

圖5為裂紋擴(kuò)展區(qū)和裂紋瞬斷區(qū)的SEM形貌，斷裂區(qū)域存在短且彎曲的撕裂棱，呈準(zhǔn)解理斷裂形貌。

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)和裂紋瞬斷區(qū)的SEM形貌

1.5 硬度分析

根據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用MVS-1000D1型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)螺栓進(jìn)行硬度試驗(yàn)，然后參照GB/T 1172—1999 《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，將維氏硬度換算成布氏硬度，最終測(cè)得螺栓硬度為283HBW。DL/T 439—2018中對(duì)20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓硬度的規(guī)定為252HBW～302HBW，失效螺栓的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 分析與討論

斷裂的螺栓中Mo含量低于標(biāo)準(zhǔn)成分要求，而Si含量和Ti含量略高于標(biāo)準(zhǔn)成分要求。Mo是高熔點(diǎn)金屬，對(duì)提高材料熱強(qiáng)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(qiáng)度的不平衡組織狀態(tài)保持在更高的溫度，同時(shí)又可以形成彌散的強(qiáng)化相。強(qiáng)化相在高溫下穩(wěn)定不易溶解，使材料在高溫下能保持很好的強(qiáng)化效果。Si可以提高材料抗氧化性，但是Si也會(huì)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(wěn)定的彌散相，提高合金的高溫強(qiáng)度，但Ti含量過高會(huì)導(dǎo)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(duì)螺栓的力學(xué)性能產(chǎn)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(jí)，屬于微觀中等粗晶。螺栓在長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行后，析出相逐漸增多并長(zhǎng)大，而析出相形貌、尺寸的變化會(huì)直接影響材料的力學(xué)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(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋源的形成。

3 控制措施

(1)對(duì)于電廠的金屬監(jiān)督人員，應(yīng)該了解供應(yīng)商的生產(chǎn)過程及質(zhì)量保證體系，確保螺栓的生產(chǎn)和檢驗(yàn)按照DL/T 439—2018的要求進(jìn)行，從而提高螺栓的入廠合格率。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)螺栓的驗(yàn)收檢驗(yàn)，嚴(yán)格依據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)檢查其質(zhì)量檢驗(yàn)單，包括化學(xué)成分、低倍和高倍組織等。通常情況下，電廠只對(duì)高溫螺栓進(jìn)行光譜分析，而光譜分析只能對(duì)部分元素進(jìn)行半定量分析，并不能保證螺栓的全部化學(xué)成分符合要求。此次高溫螺栓斷裂說明對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析很有必要。因此，除了對(duì)新螺栓全部進(jìn)行光譜檢驗(yàn)外，建議增加螺栓化學(xué)成分分析的抽檢。

(2)高溫螺栓使用前應(yīng)檢查其表面質(zhì)量，表面不應(yīng)有凹痕、裂紋等會(huì)引起應(yīng)力集中的缺陷存在，必要時(shí)可用滲透劑、磁粉、超聲波等方式探傷，有裂紋的螺栓應(yīng)報(bào)廢。

(3)電廠在對(duì)運(yùn)行汽輪機(jī)緊固件進(jìn)行金屬技術(shù)監(jiān)督過程中，要做好宏觀檢驗(yàn)、無損探傷、硬度檢驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)等工作。針對(duì)頻繁拆裝的螺栓，應(yīng)縮短其檢驗(yàn)周期。針對(duì)失效螺栓，應(yīng)對(duì)同部位、同材料、同規(guī)格的其他螺栓進(jìn)行擴(kuò)大檢查。

(4)加強(qiáng)高溫螺栓檢驗(yàn)管理，做好記錄，以便對(duì)螺栓進(jìn)行壽命管理，應(yīng)及時(shí)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(yīng)交錯(cuò)布置，以增強(qiáng)汽輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在螺紋齒根處存在螺紋機(jī)加工造成的缺陷引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致螺栓裂紋的萌生，并最終引發(fā)脆性斷裂，這是汽輪機(jī)高壓調(diào)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(xué)元素控制不當(dāng)導(dǎo)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(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及熱應(yīng)力等作用下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，材質(zhì)的組織出現(xiàn)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(shí)釋放應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的迅速擴(kuò)展，這是本次螺栓斷裂的根本原因。