高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓斷裂失效分析

張 杰 吳繼權(quán) 邱康勇

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院 深圳 518029）

高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓斷裂失效分析

張 杰 吳繼權(quán) 邱康勇

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院 深圳 518029）

針對一起高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓斷裂失效案例，對螺栓進行宏觀檢查、成分分析、硬度測試、金相組織分析及斷口顯微分析。結(jié)果表明：在蠕變、疲勞的共同作用下，在螺栓應(yīng)力集中部位，首先在弱化的晶界上產(chǎn)生裂紋，然后在腐蝕作用的促進下，裂紋不斷擴展，最終造成脆性斷裂。

斷裂 螺栓 裂紋 腐蝕

電廠使用的緊固件大多工作在高溫狀態(tài)下，主要承受著拉伸應(yīng)力，有時也承受彎曲應(yīng)力[1]。20Cr1Mo1VTiB鋼是一種具有較高持久強度及抗松弛性能的材料，是我國火力發(fā)電廠汽輪機汽門常用的螺栓材料，屬于我國自行研發(fā)的CrMoV系列低合金高強度鋼[2-4]。但是在實際工況中，我國火力發(fā)電廠卻經(jīng)常有汽門螺栓斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

2016年12月，中海油深圳電力有限公司的工作人員在對機組進行檢修的過程中，發(fā)現(xiàn)兩根高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓斷裂。斷裂螺栓標(biāo)稱材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB，規(guī)格為M56mm。該類螺栓所在機組（見圖1）于2005年投入使用，到發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂時累計運行40000h，期間有過4次拆裝，機組工作期間最高運行溫度為530℃，每天運行10h?？紤]到兩根螺栓斷口形貌極其相似，因此，筆者對其中一根螺栓進行分析，找出斷裂原因。

圖1 高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓裝載位置

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢測

斷裂的螺栓宏觀形貌見圖2。從圖2可見，高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓斷裂在螺紋處，螺栓周圍有罩螺帽，并且其斷口較為平整，沒有明顯的塑形變形，斷口上存在明顯的起裂源、擴展區(qū)、最后斷裂區(qū)。高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓應(yīng)為脆性斷裂[5-6]。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

1.2 成分分析

在高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓上截取光譜試樣，經(jīng)清洗、干燥、打磨后，采用臺式直讀光譜儀進行化學(xué)成分光譜分析，分析結(jié)果見表1。螺栓化學(xué)成分光譜分析結(jié)果符合DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》對20Cr1MoVTiB的技術(shù)要求。

表1 調(diào)速汽門螺栓成分分析結(jié)果Wt%

1.3 硬度檢測

在高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣，經(jīng)打磨、拋光后，進行布氏硬度試驗，試驗結(jié)果見表2。調(diào)速汽門螺栓布氏硬度試驗結(jié)果符合DL/T 439—2006對20Cr1MoVTiB的技術(shù)要求。

表2 調(diào)速汽門螺栓硬度測試結(jié)果表（HB10/3000）

1.4 金相組織分析

在高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進行浸蝕，試樣金相組織見圖3。金相組織為回火索氏體和明顯的黑色網(wǎng)狀晶界。

圖3 橫截面金相組織1000X

1.5 斷口顯微分析

將斷口切取下來，經(jīng)無水酒精清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡下進行觀察。螺栓表面可見大量的覆蓋物，斷口表面覆蓋物形貌見圖4。覆蓋物縱截面形貌見圖5，從圖5中能夠看出，覆蓋物厚度約為50μm。覆蓋物能譜分析結(jié)果見圖6，由分析結(jié)果可推斷出該覆蓋物主要為金屬氧化物。

將斷口進行進一步清洗并干燥后，置于掃描電鏡下進行觀察。斷口形貌見圖7及圖8。圖7為螺栓斷裂起裂源區(qū)，圖中可見斷口上存在空洞。圖8為最后斷裂區(qū)，圖中同樣可見空洞。

圖4 斷口表面覆蓋物形貌

圖5 覆蓋物縱截面形貌

圖6 覆蓋物能譜分析結(jié)果

圖7 起裂源形貌

圖8 最后斷裂區(qū)形貌

2 綜合分析

根據(jù)材料的化學(xué)成分分析和硬度測試結(jié)果，表明高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓滿足DL/T 439—2006對20Cr1MoVTiB的技術(shù)要求。

金相分析可知，高壓調(diào)節(jié)汽門閥蓋螺栓金相組織為回火索氏體和明顯的黑色網(wǎng)狀晶界。DL/T 439—2006中規(guī)定，對高溫螺栓運行后檢驗結(jié)果符合下列條件之一者應(yīng)進行更換（a.硬度超標(biāo)；b.金相組織有明顯的黑色網(wǎng)狀奧氏體晶界）。從而表明此螺栓的晶界已經(jīng)發(fā)生弱化[7]。

螺栓在使用過程受到的溫度為530℃，該溫度未超過材料的最高使用溫度（570℃），但也算是高溫。所受應(yīng)力來自三個方面，首先，當(dāng)機組平穩(wěn)工作時，在530℃溫度下，螺栓同時承受一定的熱應(yīng)力，當(dāng)機組在啟動到結(jié)束兩個階段時，螺栓則承受的是交變熱應(yīng)力；第二，結(jié)合螺栓的裝載位置及螺栓一頭套在罩螺帽內(nèi)的特點可以看出，該螺栓承受的一定拉伸應(yīng)力；第三，由于螺栓斷裂位置位于螺紋處，此處本身就為應(yīng)力集中點。從而表明當(dāng)機組運行時，螺栓會受到蠕變及疲勞的作用[8-10]。

由斷口分析結(jié)果可知，斷口表面覆蓋著大量的氧化物，同時在斷口上發(fā)現(xiàn)有空洞存在，表明螺栓在斷裂的過程中受到嚴(yán)重的高溫氧化腐蝕。

綜合以上分析，在蠕變、疲勞的共同作用下，在螺栓應(yīng)力集中部位，首先在弱化的晶界上產(chǎn)生裂紋，然后在腐蝕作用的促進下，裂紋不斷擴展，最終造成脆性斷裂。

3 結(jié)束語

本次高溫螺栓失效的主要因素與使用工況有關(guān)，而使用工況的復(fù)雜性又是無法避免的，因此監(jiān)督及檢驗部門對螺栓的失效需承擔(dān)一定責(zé)任。同樣在DL/T 439—2006中也明確提到應(yīng)加強對高壓氣缸高溫段螺栓（調(diào)速汽門和主汽門螺栓）的監(jiān)督和檢驗，但未明確對該類螺栓檢驗時的累積使用時間。在此，為了完善DL/T439—2006，建議明確對高壓氣缸高溫段螺栓（調(diào)速汽門和主汽門螺栓）的受檢周期。并且使用單位及監(jiān)督、檢驗部門應(yīng)嚴(yán)格遵守DL/T 439—2006。

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Fracture Failure Analysis of Bolt for High Pressure Regulating Valve Cover

Zhang Jie Wu Jiquan Qiu Kangyong
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)

According to a case of bolt fracture for high pressure regulating valve cover, by means of macroscopic examination, OES, OM and SEM, the fracture bolt was analyzed. The results showed that under the creep,fatigue, the cracks in the weakened grain boundaries were fi rst produced at the stress concentration site of the bolt, and then under the in fl uence of corrosion, and the cracks expanded, the bolt fi nally brittle fractured.

Fracture Bolt Cracks Corrosion

X933.4

B

1673-257X（2017）10-0061-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.016

張杰（1991～)，男，碩士，工程師，從事金屬材料的理化檢驗及失效分析工作。

張杰，E-mail： 928533546@qq.com。

2017-03-17）