法蘭通孔螺柱斷裂原因分析

龔靜，何朋非，胡加瑞，謝億，陳紅冬

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

法蘭通孔螺柱斷裂原因分析

Cause analysis on fracture of flange stud

龔靜1，何朋非1，胡加瑞2，謝億2，陳紅冬2

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

采用布氏硬度、室溫拉伸、沖擊韌性試驗(yàn)、化學(xué)成分分析等方法，并結(jié)合金相及掃描電鏡觀察，對(duì)某電廠法蘭通孔螺柱的斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該材料存在線(xiàn)性?shī)A雜物及塊狀鐵的氧化物雜質(zhì)，及沖擊韌性較差，導(dǎo)致了法蘭通孔螺柱在熱緊冷卻過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂。

金相組織；掃描電鏡；螺柱；沖擊韌性；脆性斷裂

1 概況

某電廠 2號(hào)機(jī)組法蘭通孔螺柱材質(zhì)為20Cr1Mo1VNbTiB。該材料為貝氏體耐熱鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和較好的淬透性，主要用于570℃以下高溫螺栓及閥桿材料。該鋼在570℃溫度下具有較高的抗松弛性能、持久強(qiáng)度和持久塑性，且持久缺口敏感性小，熱脆性低，組織穩(wěn)定性好〔1〕。該電廠所用螺柱規(guī)格為M120 mm×1 030 mm，服役時(shí)間約3萬(wàn)h，螺柱在熱緊冷卻過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂〔2〕。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀檢查

法蘭通孔螺柱的斷口宏觀形貌如圖1所示。螺柱在螺紋絲扣中部處斷裂，斷口無(wú)明顯塑性變形，屬典型脆性斷裂。圖1(a)虛線(xiàn)框中的灰黑色區(qū)域?yàn)閿嗔言?，其放大圖如圖1(b)所示，灰黑色區(qū)域尺寸為34 mm×14 mm。

2.2 硬度試驗(yàn)

在螺柱光桿上及其橫截面分別進(jìn)行硬度試驗(yàn)，其中橫截面的硬度試驗(yàn)分別在距螺柱外壁6，12，18，24，30 mm處進(jìn)行 (螺柱外壁到中心孔的距離為50 mm)。螺柱光桿上的布氏硬度值為293 HB，橫截面的平均布氏硬度值為298 HB，螺栓各部位硬度值均滿(mǎn)足文獻(xiàn) 〔3〕標(biāo)準(zhǔn)中252～302 HB的要求。

圖1 螺柱斷口

2.3 拉伸試驗(yàn)

在螺柱1/2半徑處取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其室溫拉伸力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表1。螺柱的3項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合文獻(xiàn) 〔3〕關(guān)于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表1 螺柱的室溫拉伸力學(xué)性能

2.4 沖擊試驗(yàn)

在螺柱1/2半徑處取U型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。螺柱沖擊功的平均值為36.5 J，低于文獻(xiàn) 〔3〕中不小于47 J的要求。

2.5 化學(xué)成分分析

對(duì)螺柱進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。螺柱的主要化學(xué)元素符合文獻(xiàn) 〔3〕 關(guān)于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表2 螺柱的化學(xué)成分 %

2.6 金相檢驗(yàn)

在螺柱1/2半徑處取軸向截面進(jìn)行金相試驗(yàn)。螺柱軸向截面的金相組織為貝氏體＋殘余奧氏體＋鐵素體。同時(shí)材料中含有少量線(xiàn)性?shī)A雜和金黃色方塊及具有一定幾何形狀的TiN夾雜物〔4〕，在殘余奧氏體內(nèi)部存在裂紋，并且TiN夾雜物尖角處有裂紋萌生，分別如圖2(b，d)中白色箭頭所示。

圖2 螺柱金相組織照片

2.7 掃描電鏡分析

2.7.1 成分分析

沿圖1(a)虛線(xiàn)框中取樣進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，灰黑色區(qū)域的2個(gè)視場(chǎng)能譜采集位置及對(duì)應(yīng)譜峰圖如圖3所示，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。圖1中的灰黑色物質(zhì)主要為鐵的氧化物。

圖3 能譜采集點(diǎn)及對(duì)應(yīng)譜峰圖

表3 灰黑色區(qū)域采集點(diǎn)化學(xué)成分 %

2.7.2 斷口分析

對(duì)螺柱斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，從圖4(a)中可知螺柱斷裂源不在螺紋根部；斷裂區(qū)域最大孔洞如圖4(b)所示，該深孔距螺柱外壁約5 mm；圖4(c)中斷口呈解理斷裂〔5〕；圖4(d)中灰黑色區(qū)斷口表面平滑、無(wú)明顯裂紋和撕裂痕跡。

圖4 斷口掃描電鏡圖片

3 原因分析

法蘭通孔螺柱的3項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合文獻(xiàn) 〔3〕標(biāo)準(zhǔn)要求，但其沖擊性能低于該標(biāo)準(zhǔn)要求，并且軸向截面顯微組織含有少量殘余奧氏體、鐵素體以及線(xiàn)性?shī)A雜，金相組織欠佳。

整個(gè)斷面有2處明顯的宏觀可見(jiàn)雜質(zhì)，檢測(cè)顯示雜質(zhì)為鐵的氧化物，其中較大塊雜質(zhì)尺寸為34 mm×14 mm。電廠將螺柱加熱膨脹至規(guī)定長(zhǎng)度后擰進(jìn)螺母，在隨后的收縮冷卻過(guò)程中產(chǎn)生很大的預(yù)緊力，由于大塊狀雜質(zhì)的存在，弱化了螺柱的力學(xué)性能，導(dǎo)致螺柱發(fā)生瞬間斷裂。

4 結(jié)論及建議

法蘭通孔螺柱發(fā)生斷裂主要是由于材料中存在鐵的氧化物和線(xiàn)性?shī)A雜，以及材料沖擊韌性差、熱處理工藝欠佳。

斷裂螺柱雜質(zhì)較大、熱處理工藝欠佳，同批次螺柱中也可能存在類(lèi)似情況，運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生瞬間斷裂，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。建議對(duì)入廠新螺栓進(jìn)行相關(guān)的金相、硬度、沖擊試驗(yàn)以及無(wú)損檢驗(yàn)等；同時(shí)加強(qiáng)螺栓入廠驗(yàn)收把關(guān)，防止不合格產(chǎn)品流入運(yùn)行環(huán)節(jié)。

〔1〕干勇，田志凌，董瀚，等.鋼鐵材料手冊(cè) (下) 〔S〕.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2009:926-929.

〔2〕鐘群鵬.斷口學(xué) 〔M〕.北京:高等教育出版社，2005:176-184.

〔3〕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〕李炯輝.金屬材料金相圖譜 (上冊(cè)) 〔M〕.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:645-651.

〔5〕姜錫山，趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊(cè) 〔S〕.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:25-41.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.015

TG113

B

1008-0198(2015)02-0049-02

龔靜(1986)，女，漢族，廣西桂林人，碩士研究生，從事理化試驗(yàn)及事故分析。

2014-09-25 改回日期:2014-10-13