基于超聲波粗晶檢測(cè)技術(shù)的汽輪機(jī)汽門螺栓斷裂分析

張 濤，陳 浩，田 峰，陳志軍，姜 文

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古國(guó)電興安熱電有限公司，烏蘭浩特 137400）

國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)廠采用美國(guó)西屋公司技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的600MW 等級(jí)、亞臨界、一次中間再熱、單軸三缸四排汽、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)組，共有12只蒸汽閥門，其中2只高壓主汽門，4只高壓調(diào)速汽門，2只中壓主汽門和4只中壓調(diào)速汽門，均采用單側(cè)進(jìn)油的油動(dòng)機(jī)控制。該機(jī)組自投運(yùn)以來(lái)已累計(jì)運(yùn)行35 000h。

汽輪機(jī)在檢修解體時(shí)發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)中調(diào)門螺栓斷裂9條，3號(hào)中調(diào)門螺栓斷裂10條，2號(hào)及4號(hào)中調(diào)門螺栓斷裂11條，1號(hào)高主門螺栓斷裂3條，共計(jì)33條，給機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)了極大的安全隱患。

1 試樣及試驗(yàn)方法

選取2條高主門螺栓及2條中調(diào)門螺栓進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)分析，螺栓材質(zhì)全部為國(guó)產(chǎn)20Cr1Mo1VTiB（蒸汽二號(hào)），詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

用自主開(kāi)發(fā)的超聲波螺栓粗晶檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓是否存在晶粒粗大現(xiàn)象進(jìn)行分析［1－2］；用火花源原子發(fā)射光譜法對(duì)其成分進(jìn)行分析；對(duì)螺栓的金相組織和各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)，利用掃描電子顯微鏡對(duì)其斷口進(jìn)行了微區(qū)形貌特征分析。

表1 螺栓詳細(xì)信息

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀檢測(cè)及分析

對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行宏觀形貌檢察。螺栓A 斷裂于螺栓接近螺紋的柔性桿部，表面銹蝕嚴(yán)重，斷口粗糙，無(wú)宏觀塑性變形，呈脆性斷裂特性，如圖1（a）所示。螺栓C斷裂于柔性桿至第二扣螺紋處，斷口形貌與螺栓A 相似，粗糙且無(wú)宏觀塑性變形，呈脆性斷裂特性，如圖1（b）所示。

圖1 斷裂螺栓斷口宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)上述4條汽門螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果各條螺栓的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 超聲波檢測(cè)分析

采用超聲波縱波檢測(cè)技術(shù)對(duì)各螺栓進(jìn)行檢測(cè)。選用CTS－9003超聲波探傷儀，探頭為晶片直徑φ14mm、頻率5 MHz的單晶直探頭，聲速為5 900m／s，探頭延時(shí)為0.3μs，增益為42.8dB。

圖2所示分別為螺栓A、B、C 和D 的端面超聲波反射情況。從圖2（a）中可以看出，在使用相同規(guī)格、頻率探頭和相同增益情況下斷裂螺栓A 的端面一次反射底波高度只有屏幕高度的20%，二次底波和三次底波無(wú)任何顯示，衰減嚴(yán)重；與螺栓A 相同規(guī)格、材質(zhì)的螺栓B 的端面一次、二次和三次反射底波均有較高的幅值，如圖2（b）所示；斷裂螺栓C的端面一次反射底波高為30%，二次底波為20%，三次底波幾乎沒(méi)有，衰減嚴(yán)重，如圖2（c）所示；與螺栓C相同規(guī)格、材質(zhì)的螺栓D 的一、二和三次反射底波均很強(qiáng)，如圖2（d）所示。

可以看出，超聲波在粗晶螺栓中衰減的很厲害。超聲波的散射衰減與材料晶粒尺寸密切相關(guān)，晶粒粗大組織往往呈現(xiàn)各向異性，被散射的超聲波會(huì)沿著更為復(fù)雜的路徑傳回，顯著降低了其穿透能力，造成回波高度的降低，使得利用超聲波回波信號(hào)差異鑒定晶粒級(jí)別成為可能。

圖2 螺栓端面超聲波反射波形圖

2.4 組織檢測(cè)與分析

對(duì)每根螺栓的橫截面取樣進(jìn)行顯微組織檢測(cè)。斷裂的螺栓A 試樣表面經(jīng)腐蝕后即出現(xiàn)肉眼宏觀可見(jiàn)的粗大晶粒組織（宏觀粗晶），晶粒平均直徑大于0.5mm，如圖3（a）所示。其顯微組織中多數(shù)晶粒為具有框架狀的貝氏體結(jié)構(gòu)，束狀鐵素體變短，不同位向的晶粒之間有較大的反差，如圖3（b）所示。按照標(biāo)準(zhǔn)［3］要求其晶粒級(jí)別被評(píng)為2級(jí)，而對(duì)于原設(shè)計(jì)材料為20Cr1Mo1VTiB 的柔性螺栓允許使用晶粒級(jí)別只能為5級(jí)。因此該螺栓晶粒等級(jí)已超標(biāo)。這種粗大晶粒組織會(huì)嚴(yán)重降低螺栓的沖擊韌性和持久塑性。

圖3 斷裂螺栓A 橫截面宏觀及顯微組織

未斷裂的高壓主汽門螺栓B 的橫截面中各部位宏觀不能分辨晶粒，被檢面呈銀灰色細(xì)瓷狀的微觀細(xì)晶結(jié)構(gòu)，其顯微組織為細(xì)晶狀貝氏體，晶粒細(xì)小，不能分辨晶內(nèi)組織，按照標(biāo)準(zhǔn)要求其晶粒級(jí)別被評(píng)為5級(jí)，符合要求，如圖4所示。

圖4 未斷裂螺栓B橫截面顯微組織

圖5所示為斷裂的中壓調(diào)速汽門螺栓C 的橫截面組織狀態(tài)。該螺栓橫截面經(jīng)腐蝕后肉眼宏觀可見(jiàn)晶粒粗大，晶粒平均直徑大于0.5mm，不同晶粒的位向之間有很大的反差。顯微組織為粗大的框架狀貝氏體結(jié)構(gòu)，晶內(nèi)排狀貝氏體交叉分布，呈發(fā)達(dá)的框架狀結(jié)構(gòu)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求其晶粒級(jí)別為1級(jí)，不合格。

圖5 斷裂的螺栓C橫截面顯微組織

圖6所示為未斷裂的中壓調(diào)速汽門螺栓D 的組織狀態(tài)?？梢钥闯?，該螺栓橫截面各部位宏觀不能分辨晶粒，被檢面呈銀灰色細(xì)瓷狀的微觀細(xì)晶結(jié)構(gòu)；顯微組織為細(xì)晶狀貝氏體，晶粒細(xì)小，不能分辨晶內(nèi)組織。按照標(biāo)準(zhǔn)要求晶粒級(jí)別評(píng)為5級(jí)，合格。

晶粒尺寸是影響材料斷裂韌性的重要因素。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，使裂紋能越過(guò)有復(fù)雜位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的晶界而失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)所消耗的能量就越大，斷裂韌性就越高［4－6］。

圖6 未斷裂的螺栓D 橫截面顯微組織

2.5 力學(xué)性能檢測(cè)與分析

對(duì)各送檢螺栓取樣進(jìn)行各項(xiàng)常溫力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

可以看出，各螺栓的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且未發(fā)生斷裂的螺栓的強(qiáng)度稍低于斷裂螺栓，而斷后伸長(zhǎng)率卻高于斷裂螺栓，說(shuō)明斷裂螺栓塑性儲(chǔ)備不足。此外，2條斷裂螺栓的沖擊吸收功均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明其斷裂韌性很差，難以抵抗較強(qiáng)的沖擊載荷。

表2 各螺栓的常溫（20℃）力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.6 斷口微區(qū)形貌分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)上述每根螺栓的沖擊斷口進(jìn)行微區(qū)形貌特征分析，如圖7所示。

可以看出，螺栓A 和螺栓C的沖擊斷口呈脆性河流狀解理斷裂特征；螺栓B 的沖擊斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征；螺栓D 的沖擊斷口上存在大量等軸狀均勻分布的韌窩，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

3 結(jié)果與分析

各條螺栓的化學(xué)成分中各元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷裂的螺栓A 和C的組織中存在肉眼宏觀可見(jiàn)的粗大晶粒，顯微組織均為粗大框架結(jié)構(gòu)的貝氏體，晶粒級(jí)別分別為2級(jí)和1級(jí)，不符合要求。而未斷裂的螺栓B和D 的組織均為細(xì)晶狀的貝氏體，晶粒級(jí)別為5級(jí)，符合要求。各螺栓的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度均合格，但未斷裂螺栓的強(qiáng)度稍低于斷裂螺栓，而斷后伸長(zhǎng)率卻高于斷裂螺栓，說(shuō)明斷裂螺栓脆性大而塑性儲(chǔ)備不足。此外，2條斷裂螺栓的沖擊吸收功均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明斷裂螺栓的韌性也很差，缺口敏感性大。

從斷口微區(qū)形貌特征分析，斷裂螺栓A 和C 的沖擊斷口呈脆性河流狀解理斷裂特征；螺栓B 的沖擊斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征；螺栓D 的沖擊斷口上存在大量等軸狀均勻分布的韌窩，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

20Cr1Mo1VTiB 作為我國(guó)自行研制的高溫緊固螺栓用鋼，經(jīng)正確的熱處理后具有良好的綜合力學(xué)性能和熱加工性能，570℃下具有較高的抗松弛性能，缺口敏感性較小，高溫持久塑性較高，淬透性較好，其熱處理制度為：1 030～1 050℃油淬加700～720℃不少于6h的回火［7］。但由于該材料具有嚴(yán)重的組織遺傳性，如果鍛造溫度過(guò)高或鍛后退火處理不當(dāng)，會(huì)將方向性排列的粗大組織遺傳下來(lái)，降低材料的塑性和沖擊韌性。高溫螺栓的應(yīng)力集中敏感性與材料的塑性有關(guān)，如果材料在高溫使用中有較高的持久塑性，則對(duì)應(yīng)力沿螺紋重新分布產(chǎn)生有利影響，而當(dāng)螺栓塑性不足，其缺口處的應(yīng)力峰值高于持久強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在螺紋缺口處產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致斷裂［8］。

圖7 螺栓沖擊試樣斷口SEM 形貌

4 結(jié)論

使用超聲波技術(shù)可以有效、高效地檢出國(guó)產(chǎn)材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB或20Cr1Mo1VNbTiB的汽輪機(jī)用高溫緊固螺栓是否存在晶粒粗大現(xiàn)象。

汽輪機(jī)汽門螺栓斷裂的主要原因是由于熱加工及熱處理工藝不當(dāng)，繼承了高溫鍛造時(shí)遺留的粗大框架組織，使得材料的塑性儲(chǔ)備和沖擊韌性嚴(yán)重不足，缺口敏感性增大，螺栓高溫運(yùn)行時(shí)在汽門頻繁動(dòng)作的工況下在螺紋溝槽處萌生裂紋并擴(kuò)展而引發(fā)的脆性解理斷裂。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)重視對(duì)高溫緊固螺栓的技術(shù)監(jiān)督工作，可使用超聲波與金相檢驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)所有入廠材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB或20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)高溫緊固螺栓等進(jìn)行全面的粗晶普查，嚴(yán)禁使用組織及力學(xué)性能不合格的粗晶螺栓，以免再次出現(xiàn)類似斷裂事故。

［1］王立新，孫常明，田峰，等.用超聲波探傷鑒定20Cr1Mo1V（Nb）TiB 粗晶螺栓的研究［J］.華北電力技術(shù)，2008（7）：1－3.

［2］王立新，孫常明，田峰，等.20Cr1Mo1V（Nb）TiB 緊固件晶粒級(jí)別超聲波二次底波法檢測(cè)技術(shù)研究［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30（6）：12－16.

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL／T 439—2006火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［4］任學(xué)沖，李高洋，宿彥京，等.夾雜物和晶粒尺寸對(duì)潔凈車輪鋼室溫沖擊韌度的影響［J］.理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)，2012，48（4）：207－212.

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［6］TSUNEKAGE N，TSUBAKINO H.Effect of sulfur content and sulfide－forming elements addition on impact properties of ferrite－pearlitic microalloyed steels［J］.ISIJ International，2001，42（5）：498－505.

［7］姜求志，王金瑞，馬士林，等.火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［8］蔡文河，嚴(yán)蘇星.電站重要金屬部件的失效及其監(jiān)督［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.