摘 要:某電廠在運行1.5×105h后,高中壓缸高溫螺栓發生斷裂。通過化學成分分析、力學性 能試驗、斷口分析、顯微組織觀察和能譜分析等方法,分析了螺栓斷裂的原因。結果表明:螺栓在長 期高溫和復雜應力作用下,局部晶界處發生蠕變,材料性能衰退,在機組運行過程中裂紋在蠕變處 萌生,并沿晶界擴展,最終導致螺栓斷裂。 

關鍵詞:高溫;螺栓;蠕變;斷裂 

中圖分類號:TK269.1                         文獻標志碼:B                       文章編號:1001-4012(2021)11-0060-03

進入21世紀后,我國經濟高速發展,同時也面 臨著能源緊缺與環境污染等問題,提高能源利用率 和能量轉化效率的最有效手段就是提高裝置的運行 參數[1-4]。螺栓作為汽輪機汽缸、管道法蘭、各種閥 門等使用的關鍵零件,不僅在結合面上承受著防漏 氣所施加的初始預緊彈性應力,還承受著高溫運行 及機組啟停過程中產生的各種靜、動應力,使螺栓在 運行過程中易出現蠕變損傷[5-9]。 

某電廠運行1.5×105h后,在檢修過程中發現, 高中壓缸高溫螺栓發生斷裂。筆者通過化學成分分 析、力學性能試驗、斷口分析、顯微組織觀察和能譜 分析等方法,對螺栓斷裂的原因進行分析,并提出應 對措施。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

該電廠高中壓缸由74支螺栓緊固,采用規格為 ?120mm×1530mm的雙頭螺柱,設計工作溫度 為537℃,螺栓材料為20Cr1Mo1VNbTiB鋼。該 雙頭螺栓的螺紋長度約為180mm,螺栓的斷裂位 置位于螺紋長90mm 處,如圖1a)所示。由圖1b) 可見:螺栓斷口平整,斷口被氧化后呈灰黑色,螺紋 斷面垂直于螺栓軸向;從裂紋擴展的放射狀條紋特 征來看,裂紋源位于外螺紋根部,裂紋從螺栓外表面 向心部擴展,裂紋源部分區域因磨損而被破壞,瞬斷 區位于螺栓中心圓孔處。

1.2 力學性能試驗 

斷裂螺栓的化學成分滿足標準要求,為全面分 析斷裂螺栓的力學性能,在螺栓近斷口處(1號試 樣)以及螺柱上(2號試樣)分別截取試樣,進行力學性能試驗,結果如表1所示。由表1可見,螺栓不 同位置處的室溫拉伸性能、布氏硬度以及沖擊韌 性均低于標準要求,沖擊韌性檢測值與標準值相 差較大。

1.3 斷口分析 

利用掃描電鏡(SEM)觀察螺栓斷口的 SEM 形貌。由圖2可見:斷口中裂紋源區域呈準解理 開裂和沿晶開裂的特征,可見明顯的二次裂紋;螺 栓裂紋擴展區可見蜂窩狀形貌,在晶界上可見明 顯的蠕變孔洞。

1.4 金相檢驗 

在螺栓斷口附近及螺栓螺柱取樣,觀察裂紋的 微觀形貌。由圖3可見:在螺栓斷口附近可見沿晶 界擴展的二次微裂紋以及在螺栓螺柱沿晶界擴展的 微裂紋。 

1.5 能譜分析 

進一步放大觀察,發現組織中可見塊狀析出物, 其截面呈規則的四邊形,如圖4所示。對析出物進 行能譜分析,結果見表2,該析出物主要由碳、氮、 鈮、鈦、釩、鐵組成,推測該析出物為氮化物。

2 分析與討論 

該螺栓在570℃以下具有較高的抗松弛性能、 較高的持久強度和持久韌性,組織穩定性好。在工 作溫度為500℃時,螺栓工作1×105h的持久強度 為314MPa。螺栓在服役過程中所受的工作載荷有 以下三種:(1)冷熱緊固應力;(2)汽缸溫度分布不均 引起的熱應力;(3)蒸汽進入汽缸產生的反作用 力[10]。該螺栓的工作應力雖未超過螺栓的持久強 度,但在汽輪機反復啟停過程中,高壓缸內外壁溫差導致熱應力的產生,這時螺栓的受力為復雜的熱應 力與預緊力的疊加[11]。

該螺栓在電廠服役長達1.5×105h,設計工作 溫度為537℃,在長期高溫和應力作用下,螺栓已經 發生蠕變,性能逐漸衰退,尤其是韌性下降明顯,螺 栓外螺紋根部產生應力集中,并在此處形成裂紋源。 隨著運行時間的延長,在晶界上形成了蠕變孔洞,孔 洞逐漸長大,裂紋源沿晶界擴展,最終導致螺栓 斷裂。

3 結論 

(1)該螺栓斷裂的主要原因是:螺栓在長期高 溫和復雜應力作用下,局部晶界處發生蠕變,材料性 能衰退,在機組運行過程中裂紋在蠕變處萌生,并沿 晶界擴展,最終導致螺栓斷裂。

(2)建議加強對高溫螺栓在檢修過程中的無損 檢驗,開展螺栓的現場金相檢驗和硬度試驗。

參考文獻: 

[1] 劉啟民.600MW 汽輪機高壓內缸螺栓可靠性研究 [J].能源與節能,2015(4):168-171,178. 

[2] 歐陽杰,張曉昱,吳楠,等.12%Cr鋼高溫螺栓長期運 行后的組織與性能[J].金屬熱處理,2010,35(8):84- 87. 

[3] 毛磊,張道鋼,李金峰,等.2CR12NIMOWV鋼高溫緊 固螺栓脆化與恢復[J].機械工程材料,1998.22(4): 48-50. 

[4] 徐鴻,鄭善合,MAILEKarl.超(超)臨界汽輪機汽缸 緊固螺栓疲勞-蠕變斷裂的研究[J].中國電機工程 學報,2007,27(32):63-66. 

[5] 黃友橋,王飛,彭以超,等.汽輪機高壓內缸緊固螺栓 高溫斷裂失效原因分析[J].浙江電力,2018,37(5): 79-84. 

[6] 周偉龍,彭以超,何志瞧,等.某660MW 超臨界機組 過橋汽封螺栓斷裂原因分析[J].浙江電力,2019,38 (9):43-50. 

[7] 徐鴻,鄭善合,MAILEKarl.超(超)臨界汽輪機汽缸 緊固螺栓高溫蠕變斷裂研究[J].中國電機工程學報, 2007,27(29):80-83. 

[8] 喻超,王煒哲,張軍輝,等.超超臨界機組高壓內缸蠕 變強度分析[J].動力工程學報,2014,34(5):365- 370. 

[9] 史文博,杜靜,龔國偉.風電機組主軸法蘭螺栓連接疲 勞損傷分析[J].機械設計與制造,2020(4):226-229. 

[10] 張棟.失效分析[M].北京:國防工業出版社,2004. 

[11] 張曉昱,歐陽杰,吳楠,等.基于加速蠕變斷裂試驗的 12%Cr鋼高溫螺栓安全可靠性評價研究[J].汽輪機 技術,2009,51(4):318-320. 

<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 57卷 > 11期 (pp:60-62)>