摘 要:某汽輪機的高溫螺栓在機組運行過程中發生了斷裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、力 學性能試驗、宏觀組織檢驗、金相檢驗、斷口分析等方法,對高溫螺栓的斷裂原因進行了分析。結果 表明:該汽輪機的高溫螺栓晶粒較粗大,且長期在高溫高壓環境下服役,造成碳化物逐步析出、材料 沖擊韌性下降。在機組啟、停機及機組負荷波動帶來的沖擊應力下,該高溫螺栓最終發生了脆性 斷裂。

 關鍵詞:汽輪機;高溫螺栓;斷裂;粗晶;碳化物析出 

中圖分類號:TG115.2                      文獻標志碼:B                       文章編號:1001-4012(2021)12-0071-04

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

某電廠的發電機組在運行過程中,其中聯門高 溫螺栓發生斷裂失效,該機組運行時長47341h,螺 栓材 料 為 20Cr1Mo1VNbTiB 鋼,螺 栓 規 格 為 M56mm×4mm×310mm。筆者對該斷裂螺栓進 行了一系列檢驗和分析,并選取另外一個同批次、同 材料的未斷裂螺栓進行對比,找出了該高溫螺栓的 斷裂原因,以期類似事故不再發生。

1 理化檢驗 

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。可見斷裂部位在螺栓桿部,斷口距端面約 130mm。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、毛刺或其他引起應力集中的 缺陷。 

1.2 化學成分分析 

在斷裂螺栓和對比螺栓的螺桿中部進行線切割 取樣,將切割面在砂紙上磨平并用酒精清洗后,采用 牛 津FOUNDRY-MASTERPro型全譜立式直讀光譜儀對其進行化學成分分析,結果見表1。可見 其化學成分符合 DL/T439—2018《火力發電廠高 溫 緊固件技術導則》對20Cr1Mo1VNbTiB鋼的成 分要求。

1.3 力學性能試驗 

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 能材料試驗機對其進行室溫拉伸試驗,測定其抗拉 強度、屈服強度和斷后伸長率,采用JBN-300型沖 擊試驗機測定其室溫沖擊吸收能量,采用 HB-3000 型布氏硬度計測定其布氏硬度,試驗結果見表2。 結果表明,螺栓的硬度、抗拉強度、屈服強度和斷后 伸長率均符合標準要求,但是斷裂螺栓的沖擊吸收 能量僅為25J,遠低于標準要求,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86J,符合標準要求。 

1.4 宏觀組織檢驗 

按DL/T439-2018推薦方法對斷裂螺栓和未 斷裂螺栓的端面及斷裂螺栓斷口處橫截面進行宏觀 組織檢驗,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2mm 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 理等生產工藝有關,屬于過熱組織。熱加工過程溫 度達到Ac1(珠光體向奧氏體轉變的初始溫度)以上, 或鋼材多次加熱至奧氏體再結晶溫度以上后快速冷 卻就會形成粗晶。在長期高溫高壓環境下,過熱組織 中碳化物逐步析出,會使材料的沖擊韌性下降。

1.5 金相檢驗 

在螺栓螺桿部位取樣進行金相檢驗,如圖4所 示。可見斷裂螺栓的顯微組織為貝氏體,晶粒度級 別為1級,晶內的排狀貝氏體交叉分布,呈框架狀結 構。未斷螺栓的顯微組織為細晶狀貝氏體,晶粒度 級別為5級。金相檢驗結果表明斷裂螺栓的晶粒度 級別不符合 DL/T439-2018《大力發電廠高溫緊 固件技術導則》中晶粒度級別為5級的要求。

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 裂螺栓在運行過程中斷裂,斷口長時間暴露在高溫 環境下,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。

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很小,約占斷裂面積 的15%,整個斷面以放射區為主,基本沒有纖維 區,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,整個斷面形貌符合準解 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,整個斷面大多為解理 面。圖6表明試樣斷裂屬于解理斷裂,說明材料 脆性很大。 

2 分析與討論 

由以上理化檢驗結果可知,螺栓化學成分、室溫 拉伸性能、硬度等指標符合標準要求。斷裂螺栓組 織晶粒粗大,晶粒度級別為1級,晶內交叉分布的排 狀貝氏體呈框架狀結構,導致材料脆性很大;拉伸和 沖擊斷口的斷裂特征表明材料為解理斷裂,加上沖 擊吸收能量遠低于標準要求,再次證明材料脆性很 大。汽輪機高溫螺栓在高溫、高應力、蒸汽腐蝕等復 雜工況下工作,這要求螺栓材料具有較高的高溫蠕 變持久強度、較低的線膨脹系數、較好的抗松弛性 能、良好的抗應力腐蝕能力、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 此其組織異常導致了材料脆性過大,不能承受啟、停 機及機組負荷波動帶來的沖擊應力。

3 結論及建議 

該汽輪機的高溫螺栓的晶粒較粗大,且長期在高溫高壓環境下服役,造成碳化物逐步析出、材料沖 擊韌性下降,在機組啟、停機及機組負荷波動帶來的 沖擊應力下,該高溫螺栓發生了脆性斷裂。 

建議火電廠在進行機組檢修時,對汽輪機高溫 螺栓進行100%超聲檢驗、100%硬度檢驗,對超聲 檢驗和硬度檢驗結果不合格的螺栓,予以更換。

參考文獻: 

[1] 何風生,盧方龍,盤榮旋.汽輪機螺栓斷裂失效分析 [J].江西電力,2005,29(2):6-8. 

[2] 劉發,紀繁祥,彭建強.汽輪機用高溫螺栓材料的發展 動向[J].機械工程師,2012(7):169-170. 

[3] 吳紅輝,王偉.20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓斷裂失效 分析[J].華電技術,2018,40(10):27-30. 

[4] 尹宏超,趙云,于賢思,等.螺栓斷裂失效分析[J].物 理測試,2017,35(6):30-33. 

[5] 尹宏超,趙云,于賢思,等.20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺 栓運行后性能變化及監督方法的探討[J].河北電力 技術,1992(5):43-47. 

<文章來源  >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 57卷 > 12期 (pp:71-74)>