張艷飛，謝寶奎，管偉康

（1?內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司,內蒙古呼和浩特 010020；2?北方材料科學與工程研究院,內蒙古包頭 014034；3?內蒙古能源科研技術中心有限公司,內蒙古包頭 014030）

0 引言

高溫緊固螺栓是火電廠汽輪機的重要金屬監(jiān)督部件，在汽輪機高中低壓缸結合面、調節(jié)汽閥、主汽閥、導氣管法蘭等需要密封或者緊固連接的法蘭、密封面上應用廣泛，其作用為法蘭、密封面提供足夠的壓力，實現汽缸、閥門、管道法蘭在運行中保持密封，不發(fā)生泄漏?；鹆Πl(fā)電機組運行中曾發(fā)生多起高溫緊固螺栓的斷裂失效事故，為機組的安全和穩(wěn)定運行帶來了惡劣影響，在技術監(jiān)督和失效分析中引起了從業(yè)者的廣泛關注[1-5]。汽輪機在長周期運行中，其蠕變、疲勞及蠕變-疲勞的交互作用降低了缸體和閥門的高溫緊固螺栓的使用性能，縮短了螺栓的使用壽命;同時，機組負荷變化，汽缸溫差、振動，螺栓的裝配工藝及其制造尺寸偏差等均對螺栓的使用壽命產生了負面影響[6-7]。在新能源負荷消納和電力市場改革、市場煤電供求關系變化、國家持續(xù)提高環(huán)保排放指標要求等新形勢下，火電機組調峰運行、兩班制運行等運行方式也趨于常態(tài)化，對汽輪機高溫緊固螺栓壽命產生了較大的負面影響，有必要分析螺栓在不同損傷模式下的壽命評估方法及其影響因素。

1 高溫緊固螺栓主要失效模式

高溫緊固螺栓主要失效模式有蠕變斷裂、脆性斷裂及疲勞斷裂[8-9]。

1.1 蠕變失效

高溫緊固螺栓主要失效模式之一是高溫蠕變。高溫緊固螺栓在預緊力和高溫的共同作用下，螺栓發(fā)生蠕變現象松弛，隨著機組的累積運行小時數增加，螺栓的累積蠕變應變達到斷裂應變時將導致蠕變開裂。低合金耐熱鋼和高合金耐熱鋼的蠕變裂紋擴展階段比較短，因此，一旦產生蠕變裂紋，螺栓將很快出現斷裂[10]。汽輪機高溫緊固螺栓的運行工況惡劣，服役條件苛刻，要求高溫緊固螺栓材料應具備較高的蠕變強度和一定的蠕變延性。

螺栓材料特性對蠕變的影響較大，除此之外，螺栓安裝時的預緊力對蠕變損傷的影響也較大。螺栓的預緊工藝一般為先進行冷緊，在此基礎上再進行熱緊。不同的冷緊方法和工藝產生的初始冷緊應力差異較大，對其蠕變壽命有重要影響。

1.2 脆性斷裂

對于高溫緊固螺栓而言，脆性斷裂是一種危害性極大的失效形式，影響高溫緊固螺栓脆性斷裂的主要因素[8]有以下方面：

1）蠕變裂紋、疲勞裂紋可導致高溫緊固螺栓發(fā)生脆性斷裂。

2）對于強度較高的高溫螺栓而言，其韌性相對較低，高溫下長周期運行，其組織老化導致脆性增加、缺口敏感性增大，在沖擊載荷作用下易發(fā)生脆性斷裂。

3）螺栓原材料冶金質量不佳，導致鋼材持久塑性降低、缺口敏感性增大，高溫高應力服役過程中，易產生脆性組織，從而發(fā)生脆性斷裂。

4）螺栓加工工藝不當、熱處理工藝、鍛造溫度控制不當等易導致螺栓晶粒粗大，降低沖擊韌性，亦可導致脆性斷裂發(fā)生。

1.3 低周疲勞失效

若汽輪發(fā)電機組頻繁啟停，則高溫緊固螺栓的主要失效機理為低周疲勞[9]。在汽輪機的啟停過程中，由于溫度場分布不均程度加劇，使得汽輪機閥門（主汽閥、調節(jié)汽閥）、汽缸與緊固螺栓之間的溫差加大，導致熱膨脹不一致，從而產生熱應力。一般情況下，汽輪機閥門（主汽閥、調節(jié)汽閥）、汽缸使用的材料與緊固螺栓使用的材料不同，結構和尺寸差異較大，在機組運行狀態(tài)下，由于材料線膨脹系數和尺寸不同導致在汽輪機閥門（主汽閥、調節(jié)汽閥）、汽缸與緊固螺栓之間也存在熱應力。在極限工況下，螺栓承受的熱應力接近螺栓的預緊應力，對螺栓低周疲勞壽命的影響起到了不可忽略的作用。此外，過大的螺栓表面粗糙度，過小的螺栓根部圓角半徑，不合理的螺栓結構，不及工藝要求的螺栓加工尺寸等可造成局部位置應力集中的因素，均可加速疲勞裂紋的萌生和擴展、開裂。

2 螺栓剩余壽命評估

剩余壽命是指部件可安全運行壽命減去部件已累積運行的時間或疲勞循環(huán)次數，剩余壽命可使用部件可安全運行時間，剩余疲勞循環(huán)次數或部件的損傷程度進行表示。剩余壽命的評估方法主要有無損評估、有損評估及解析評估方法。其中，解析評估法可使用部件的運行數據求得應力和溫度分布，然后利用材料性能參數估算其壽命消耗。汽輪機高溫緊固螺栓的壽命損耗主要是由于高溫蠕變損傷、疲勞損傷及蠕變-疲勞交互損傷造成，可采用解析評估方法估算其剩余壽命。

4號汽輪機型號為NZK200-12?75/535/535，額定功率為200 MW的超高壓參數、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機，于2008年4月投產運行，截至2019年12月，累計運行約69 000 h。4號汽輪機中壓聯合汽閥法蘭連接高溫緊固螺栓材質為20Cr1Mo1VTiB，規(guī)格為M33mm×3mm×273 mm。

20Cr1Mo1VTiB是我國自主研發(fā)的汽輪機高溫緊固螺栓用鋼，其主要含有Cr、Mo、V、Ti、B等合金元素，具有較高的綜合力學性能、抗松弛性，較小的熱脆傾向、缺口敏感性。20Cr1Mo1VTiB鋼的缺點是對制造工藝要求高，易出現可嚴重降低螺栓沖擊韌性的晶粒粗大現象。20Cr1Mo1VTi B鋼用作汽輪機緊固螺栓時，其最高工作溫度可達570℃。20Cr1Mo1VTiB鋼化學成分如表1所示，20Cr1Mo1VTiB鋼力學性能如表2所示。

表1 20Cr1Mo1VTiB鋼化學成分（質量分數）%

表2 20Cr1Mo1VTiB鋼力學性能

20Cr1Mo1VTiB鋼彈性模量如表3所示。

表3 20Cr1Mo1VTiB鋼彈性模量

2.1 螺栓受力分析

汽輪機中壓聯合汽閥螺栓在變工況以及高溫高應力狀態(tài)下工作，承受著高工作應力，螺母擰緊產生的拉伸應力，高溫工況及溫度分布不均產生的熱應力，螺紋等變截面部位的應力集中，長期服役產生的應力松弛，閥門動態(tài)載荷產生的彎曲應力以及變工況運行產生的交變應力等，應力狀態(tài)及其復雜[10]。

2?1?1 螺栓工作應力

汽輪機運行中，螺栓工作應力由閥體內高溫蒸汽壓力作用于閥門法蘭而產生，可采用式（1）進行計算。

式中:FZ—蒸汽工作應力；

△F—蒸汽壓力；

Cb—螺栓剛度；

Cf—法蘭剛度。

螺紋連接金屬螺栓相對剛度Cb/（Cb+Cf）為0?2～0?3，此處取0?3。則對于NZK200-12?75/535/535型汽輪機，△F為12?75 MPa，由此計算蒸汽工作應力FZ為3?83 MPa。

2?1?2 預緊應力

中壓聯合汽閥螺栓采用冷緊方式，其預緊應力為冷緊力。預緊力使裝配件緊固地連接在一起，壓緊墊片，防止蒸汽泄漏。由于螺栓在高溫運行中產生應力松弛，需預緊應力比汽輪機運行過程中所產生的應力及應力松弛大，裝配件就不會松動。預緊應力根據汽輪機制造廠提供的螺栓安裝力矩換算獲得。預緊計算如下：

式中:Mt—力矩；

d—公稱直徑；

F0—緊固力；

K—力矩系數，國內設計一般取0?2。

該規(guī)格螺栓冷緊力矩推薦值為1 383 N·m。中壓聯合汽閥螺栓預緊應力計算結果如表4所示。

表4 螺栓預緊應力計算結果

2?1?3 熱應力

在汽輪機啟動過程中，螺栓受熱主要源于法蘭。當溫度較高的法蘭沿厚度方向膨脹時，會使溫度較低的螺栓受到拉伸。汽輪機冷態(tài)啟動溫升速率及溫差控制要求如表5所示。不同溫度條件下的螺栓熱應力如表6所示。

表5 冷態(tài)啟動溫升速率及溫差控制要求

表6 不同溫度條件下的螺栓熱應力

2?1?4應力集中

螺紋相當于缺口作用，在固定端第1圈螺紋牙底處應力最高，應力集中將使螺栓結構強度降低，加速螺栓壽命損耗。閥門螺栓一般采用粗制螺紋螺栓，其應力集中系數為1?5～1?6，本文計算取應力集中系數KJ為1?54。

2.2 蠕變損傷

螺栓在高溫狀態(tài)下長期運行會發(fā)生蠕變，產生應力松弛現象，并降低螺栓的預緊力。蠕變損傷可根據應力松弛量進行計算。設σ0為應力初始值（即螺栓預緊應力），σ為汽輪機運行時某一時刻的應力值，ε0為應變初始值。使用Norton公式可完整表達中壓聯合汽閥螺栓的蠕變過程，其表達式如下：

按照上述計算模型，基于材料數據，對中壓聯合汽閥法蘭連接螺栓的剩余壽命進行計算。4號機組年平均有效利用6 000 h，每年安排1次檢修（含A修）。計算螺栓材料的特性參數及計算條件如表7所示。為分析螺栓預緊應力對蠕變損傷的影響，選取了3種不同的螺栓初始預緊應力分別計算其相應的蠕變損傷，計算得到的每一加載周期產生的蠕變損傷量如表8所示。

表7 蠕變損傷的技術參數

由表8可知，螺栓的蠕變損傷量與初始預緊應力有關，螺栓的預緊應力由245?12 MPa依次增加10%至269?63 MPa，294?14 MPa時，螺栓的蠕變損傷則由0?015 6依次增加至0?020 4，0?025 1，增加率分別為30?8%，23?0%，蠕變損傷增加速率遠高于預緊應力增加速率。螺栓的預緊力受不同的冷緊和熱緊工藝影響，往往使得預緊力偏離設計值，從而影響螺栓的蠕變壽命；因此，螺栓的裝配規(guī)程中應嚴格執(zhí)行裝配工藝，減少預緊力偏差。

表8 蠕變損傷技術結果

2.3 疲勞損傷

經典Coffin-Manson公式可表達螺栓在交變熱應力和預緊力工況下的低周疲勞壽命，見式（8）：

式中:△εt—總應變范圍；

Nf—低周疲勞壽命（循環(huán)次數）；

C1—材料疲勞延性常數，取值0?009 7；

C2—材料疲勞塑性常數，取值2?8；

α1—材料常數，取值0?095；

α2—材料常數，取值0?831。

螺栓在高溫下運行，受調峰工況影響，考慮其應力加載頻率影響見式（9）：

式中：V—每分鐘應力的循環(huán)次數[10]。

由式（9）可計算出螺栓材料在某一應變水平Δεti下的疲勞壽命Nfi，在該應變水平下循環(huán)Ni次產生的疲勞損傷見式（10）:

在調峰運行的一個應力循環(huán)周期內，螺栓的疲勞損傷受螺栓承受的循環(huán)應力（包括機組啟停時的熱應力循環(huán)、預緊應力加熱應力循環(huán)）影響。表9計算了中壓聯合汽閥螺栓在調峰運行模式下的疲勞損傷情況。根據中壓聯合汽閥螺栓的運行工況，疲勞損傷計算中，機組啟停工況下螺栓與閥門法蘭的壁溫差最大值為55℃，穩(wěn)態(tài)工況下螺栓與閥門法蘭的壁溫差值為10℃。表10為考慮應力集中時，螺栓疲勞損傷的計算結果，其中應力集中系數K取值1?54。

表9 疲勞損傷計算結果

表10 疲勞損傷計算結果（考慮應力集中）

2.4 蠕變-疲勞損傷

線性累積損傷法把所得的疲勞壽命損耗和蠕變壽命損耗線性累積相加，是壽命估算方法中相對簡單的一種方法。目前國內疲勞一蠕變壽命估算問題主要采用相對簡單線性累積損傷法。高溫緊固螺栓在運行中同時承受蠕變和疲勞的作用，產生的蠕變和疲勞損傷分別按照上述公式進行計算，其交互作用可以忽略，則可將蠕變和疲勞損傷按線性進行累加，見式（11）:

當累積損傷D達到單位1時，材料達到壽命終結。

4號機組年平均啟停1次，運行周期6 000 h。疲勞-蠕變壽命計算結果如表11所示?？紤]螺栓應力集中系數K時，疲勞-蠕變壽命周期明顯縮短，其壽命約為不考慮應力集中系數時的1/6。螺紋固定端第1圈螺紋應力集中相當于缺口作用，加速了螺栓蠕變壽命和疲勞壽命的損耗。實際制造中應采取較大圓角過渡，減小應力集中，可有效延長螺栓壽命。

表11 疲勞-蠕變壽命計算結果

3 結論

1）中壓聯合汽閥螺栓的蠕變壽命與螺栓的初始預緊應力水平有關，螺栓蠕變損傷量隨著螺栓預緊應力的增加而增加，且蠕變損傷增加速率高于螺栓預緊力增加速率。

2）中壓聯合汽閥螺栓的疲勞壽命與調峰運行方式有關。在調峰運行方式下，螺栓疲勞損傷量隨著螺栓熱應力的增加而增加。采取降低機組升溫速率、減小螺栓與閥門法蘭溫差等措施降低螺栓熱應力，從而延長螺栓疲勞壽命。

3）中壓聯合汽閥螺栓壽命評估結果表明，在考慮應力集中情況下，疲勞-蠕變交互作用下剩余壽命可安全運行6個檢修周期（按照每個周期6 000 h計算），不能滿足機組設計壽命的要求，需要采取降低參數運行、縮短檢驗周期或者在6個檢修周期后更換中壓聯合汽閥螺栓的措施。

4）相較于有損評估方法和無損評估方法，解析評估方法能夠在不破壞部件完整性的條件下，獲得較為準確的剩余壽命值，可用于部件在線剩余壽命監(jiān)測、評估部件蠕變壽命和疲勞壽命損耗情況，為實現火電機組壽命管理提供支撐。