陳亮平, 何朋非, 張仁魁

(湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司, 長(zhǎng)沙 410000)

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

某電廠的發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中,其中聯(lián)門高溫螺栓發(fā)生斷裂失效，該機(jī)組運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)47 341 h，螺栓材料為20Cr1Mo1VNbTiB鋼，螺栓規(guī)格為M56 mm×4 mm×310 mm。筆者對(duì)該斷裂螺栓進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，并選取另外一個(gè)同批次、同材料的未斷裂螺栓進(jìn)行對(duì)比，找出了該高溫螺栓的斷裂原因，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

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?？梢姅嗔巡课辉诼菟U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(yīng)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(xué)成分分析

在斷裂螺栓和對(duì)比螺栓的螺桿中部進(jìn)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(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢娖浠瘜W(xué)成分符合DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)20Cr1Mo1VNbTiB鋼的成分要求。

表1 螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of bolts (mass fraction) %

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

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(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，采用JBN-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其室溫沖擊吸收能量，采用HB-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)定其布氏硬度，試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明，螺栓的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是斷裂螺栓的沖擊吸收能量?jī)H為25 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 螺栓的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of bolts

1.4 宏觀組織檢驗(yàn)

按DL/T 439-2018推薦方法對(duì)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(jìn)行宏觀組織檢驗(yàn)，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(xiàn)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(chǎn)工藝有關(guān)，屬于過熱組織。熱加工過程溫度達(dá)到Ac1(珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的初始溫度)以上，或鋼材多次加熱至奧氏體再結(jié)晶溫度以上后快速冷卻就會(huì)形成粗晶。在長(zhǎng)期高溫高壓環(huán)境下，過熱組織中碳化物逐步析出，會(huì)使材料的沖擊韌性下降。

1.5 金相檢驗(yàn)

在螺栓螺桿部位取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖4所示?？梢姅嗔崖菟ǖ娘@微組織為貝氏體，晶粒度級(jí)別為1級(jí)，晶內(nèi)的排狀貝氏體交叉分布，呈框架狀結(jié)構(gòu)。未斷螺栓的顯微組織為細(xì)晶狀貝氏體，晶粒度級(jí)別為5級(jí)。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明斷裂螺栓的晶粒度級(jí)別不符合DL/T 439-2018《大力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中晶粒度級(jí)別為5級(jí)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(yùn)行過程中斷裂，斷口長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)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(jié)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(qū)很小，約占斷裂面積的15%，整個(gè)斷面以放射區(qū)為主，基本沒有纖維區(qū)，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(gè)斷面形貌符合準(zhǔn)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(qū)，整個(gè)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(yàn)結(jié)果可知，螺栓化學(xué)成分、室溫拉伸性能、硬度等指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷裂螺栓組織晶粒粗大，晶粒度級(jí)別為1級(jí)，晶內(nèi)交叉分布的排狀貝氏體呈框架狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，再次證明材料脆性很大。汽輪機(jī)高溫螺栓在高溫、高應(yīng)力、蒸汽腐蝕等復(fù)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(qiáng)度、較低的線膨脹系數(shù)、較好的抗松弛性能、良好的抗應(yīng)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(dǎo)致了材料脆性過大，不能承受啟、停機(jī)及機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)帶來的沖擊應(yīng)力。

3 結(jié)論及建議

該汽輪機(jī)的高溫螺栓的晶粒較粗大，且長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境下服役，造成碳化物逐步析出、材料沖擊韌性下降，在機(jī)組啟、停機(jī)及機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)帶來的沖擊應(yīng)力下，該高溫螺栓發(fā)生了脆性斷裂。

建議火電廠在進(jìn)行機(jī)組檢修時(shí)，對(duì)汽輪機(jī)高溫螺栓進(jìn)行100%超聲檢驗(yàn)、100%硬度檢驗(yàn)，對(duì)超聲檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)結(jié)果不合格的螺栓，予以更換。