汽輪機高壓主汽門螺栓斷裂失效分析

董宇

(天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300)

0 引言

某電廠#7機組為N200－130/535/535型、超高壓、中間再熱、三缸三排汽凝汽式汽輪機，主蒸汽壓力為12.74 MPa，主蒸汽溫度為535℃。在機組運行過程中，發(fā)現(xiàn)高壓主汽門有泄露現(xiàn)象，于2005年1月停機進行小修，在拆卸過程中，發(fā)現(xiàn)有1條螺栓發(fā)生斷裂。

斷裂螺栓設(shè)計材質(zhì)為20Cr1Mo1VNbTiB，規(guī)格為M56mm×265mm，為帶中心孔結(jié)構(gòu)。20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)是我國自行研制的低合金高強度鋼，具有較高的持久強度和持久塑性，抗松弛性能好、熱脆傾向小、缺口敏感性低，一般用于制造工作溫度為570℃ 以下的高溫螺栓。

1 試驗

1.1 宏觀檢驗

斷裂螺栓外觀形貌如圖1所示，斷裂部位為螺栓第1個螺紋的位置。

圖1 斷裂螺栓外形

由螺栓斷口斷面(如圖2所示)可以看出:A區(qū)分布在螺栓斷面外圈的邊緣部位，斷面粗糙，呈明顯結(jié)晶顆粒狀，為裂紋源部位，顯示出沿晶斷裂特征;B區(qū)顏色深于C區(qū)，有人字條紋，是裂紋疲勞擴展期間形成的，為裂紋擴展區(qū);C區(qū)為最終扭斷時的斷裂區(qū)。

圖2 螺栓斷口形貌

1.2 光譜分析

對該螺栓進行光譜分析，符合20Cr1Mo1VNbTiB的譜線特征，未發(fā)現(xiàn)錯用材質(zhì)的問題。

1.3 力學(xué)性能檢驗

在螺栓螺桿部距斷口約60mm處取3根縱向拉伸試樣，按照DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》的要求進行力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)

對#1試樣做粗晶檢查，發(fā)現(xiàn)斷口斷裂源為粗晶區(qū)。

1.4 硬度試驗

在螺栓螺桿部距斷口約30 mm處截取圓環(huán)試樣，在其斷面進行硬度試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 硬度值

1.5 金相檢驗

1.5.1 宏觀組織檢驗

在螺栓螺桿部距斷口約30 mm處截取圓環(huán)試樣，在其端面進行宏觀組織檢驗，結(jié)果顯示，在螺桿外圈約半圈長度范圍內(nèi)存在0～5mm深度不等的肉眼可見的粗大晶粒，按照DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》C3.1.2.6的規(guī)定，應(yīng)評定為宏觀粗晶，如圖3所示。

圖3 宏觀粗晶

1.5.2 微觀組織檢驗

在螺栓粗晶區(qū)進行微觀組織觀察，金相組織為方向性貝氏體，晶粒粗大，為0級。在螺栓細晶區(qū)進行微觀組織檢驗，金相組織為細晶狀貝氏體，晶粒度為6級，如圖4所示。

圖4 螺栓細晶區(qū)金相組織 ×100

2 原因分析

在力學(xué)性能試驗中，#1試樣延伸率為0、端面收縮率為0、抗拉強度為872 MPa，對該試樣斷面圓周進行宏觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)該拉伸試樣存在粗晶區(qū)。而#2試樣延伸率為19%、斷面收縮率為65%、抗拉強度為902 MPa，均在合格范圍內(nèi)。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于試樣截取位置和數(shù)量受螺栓結(jié)構(gòu)尺寸限制，#1試樣部分處在粗晶區(qū)，#2試樣完全處在細晶區(qū)。這同時也說明了粗晶對螺栓性能的影響非常大，粗晶區(qū)的存在，使得粗晶區(qū)組織晶界非常脆弱，極易產(chǎn)生裂紋源。

該螺栓斷口的起始裂紋源恰好處在粗晶區(qū)，而粗晶的存在極大降低了螺栓的韌性，成為造成螺栓斷裂的裂紋源。由于螺栓工作時，螺紋根部第1圈螺紋處受力最大，因此，在螺栓的第1圈螺紋與粗晶重合的部位，最先發(fā)生沿晶開裂，在交變載荷作用下不斷擴展，最終導(dǎo)致螺栓開裂，造成緊力不夠，門體法蘭盤處發(fā)生漏汽。由斷面B區(qū)可以看出，泄漏時的裂紋擴展超過了螺栓斷面的60%，因此，在小修拆卸此螺栓時發(fā)生斷裂。

組織晶粒粗大與螺栓加工時的熱處理工藝是分不開的，同時還與螺栓較高的鍛造加熱溫度有關(guān)。因此，為防止粗晶出現(xiàn)，應(yīng)嚴格控制螺栓的熱處理工藝，盡量采取較低的鍛造加熱溫度并嚴格控制終鍛溫度，保證有足夠的鍛造比。

綜上所述，螺栓加工過程中熱處理工藝控制不當，導(dǎo)致螺栓金相組織產(chǎn)生粗晶，是造成螺栓斷裂的根本原因。

3 結(jié)束語

20Cr1Mo1VNbTiB鋼為我國自行研制的低合金高強度鋼，它具較有高的持久強度和持久塑性，抗松弛性能好、熱脆傾向小、缺口敏感性低，但是，如果熱處理工藝控制不好，經(jīng)常會出現(xiàn)晶粒粗大的現(xiàn)象，對機組的安全運行造成嚴重的威脅。因此，對于新螺栓，檢查是否存在宏觀粗晶非常必要，DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》要求:對≥M32 mm的新螺栓應(yīng)進行金相組織抽查，每種規(guī)格不少于1件，在條件允許的情況下，可以對新螺栓做100%宏觀金相檢查，避免由于金相組織不合格而發(fā)生斷裂。

［1］DL/T 439—2006，火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則［S］.