某660 MW 超臨界機(jī)組過(guò)橋汽封螺栓斷裂原因分析

周偉龍，彭以超，何志瞧，王 超，潘雷鳴

（1．浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 金華 321100；2．浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121）

0 引言

過(guò)橋汽封是高中壓合缸汽輪機(jī)組的重要組成部分，位于高中壓內(nèi)缸高壓缸進(jìn)汽和中壓缸進(jìn)汽過(guò)渡位置，故稱(chēng)“過(guò)橋汽封”，其設(shè)計(jì)目的在于防止高壓缸內(nèi)高壓蒸汽漏入中壓缸，破壞中壓缸主通流部分流線(xiàn)，同時(shí)又起到平衡部分軸向推力的作用。因此過(guò)橋汽封對(duì)汽輪機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到一定的作用。

某發(fā)電廠(chǎng)過(guò)橋汽封采用Nimonic 80A（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NI80A”）材質(zhì)鎳基螺栓作為緊固件。NI80A 螺栓是一種鎳基高溫合金，是以Ni 和Cr 為基加Al和Ti 時(shí)效硬化型合金，在650～800 ℃具有抗蠕變和抗氧化性能[1]。NI80A 合金的合金化程度較低，含Al（1．0%～1．8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同）、Ti（1．8%～2．7%）作為γ 相的生成元素[2]，以強(qiáng)化合金；含Cr（18%～21%）使合金具有良好的耐腐蝕性能。合金基體相對(duì)較純凈，由于不含W，Mo，Nb 等碳化物形成元素，降低了因碳化物多使晶界變脆使其塑性降低的可能[3]。

1 斷裂螺栓概況

該發(fā)電廠(chǎng)4 號(hào)機(jī)組某次汽輪機(jī)C 修時(shí)，揭開(kāi)高中壓內(nèi)缸后發(fā)現(xiàn)過(guò)橋汽封靠近高壓缸側(cè)有1 枚螺栓出現(xiàn)斷裂，如圖1 所示。高中壓過(guò)橋汽封中分面兩側(cè)共8 枚螺栓，均為NI80A 材質(zhì)鎳基螺栓，詳見(jiàn)表1。此次斷裂的螺栓為A1，即高壓左側(cè)螺栓（從汽輪機(jī)向發(fā)電機(jī)看），規(guī)格型號(hào)為M64 mm×6 mm×356 mm。斷裂位置為雙頭螺栓中間過(guò)渡段，距下部螺紋起始處約5 cm。

2 螺栓檢查及檢測(cè)

2.1 安裝記錄檢查

從圖2 螺栓安裝的結(jié)構(gòu)可以看出，螺栓下螺紋旋入過(guò)橋汽封下半部分母材中，法蘭面位于下螺紋與光桿之間的過(guò)渡位置；上螺紋通過(guò)螺母進(jìn)行緊固，螺母與上側(cè)汽封之間有墊圈。查看4 號(hào)機(jī)過(guò)橋汽封螺栓安裝測(cè)量記錄，結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出，8 枚螺栓的實(shí)際安裝伸長(zhǎng)量均在設(shè)計(jì)值±10%的容差范圍內(nèi)。

圖1 4 號(hào)機(jī)斷裂過(guò)橋汽封螺栓位置

圖2 斷裂過(guò)橋汽封螺栓斷裂位置

表1 4 號(hào)機(jī)過(guò)橋汽封螺栓清單

表2 4 號(hào)機(jī)過(guò)橋汽封螺栓安裝測(cè)量記錄

2.2 宏觀(guān)檢查

螺栓斷裂位置位于雙頭螺栓中間光桿上（見(jiàn)圖2），距下部螺紋起始處約50 mm。

對(duì)螺栓斷面進(jìn)行宏觀(guān)分析，如圖3 所示?？芍獢嗝鎯蓚?cè)存在對(duì)稱(chēng)的裂紋，以該裂紋為分界線(xiàn)，斷面可大致平均分為2 個(gè)區(qū)域。其中裂紋一側(cè)斷面整體較平坦，基本整體與軸向垂直；而裂紋另一側(cè)斷面起伏較大，與平坦區(qū)域夾角約15°～30°。

對(duì)這2 條對(duì)稱(chēng)的裂紋進(jìn)行分析，可看出：

（1）兩側(cè)裂紋擴(kuò)展具有明顯的方向性，皆由平坦斷面向起伏較大斷面一側(cè)擴(kuò)展（見(jiàn)圖3、圖4）。

（2）裂紋與斷口基本關(guān)于平坦斷面對(duì)稱(chēng)分布（見(jiàn)圖4）。

（3）裂紋較長(zhǎng)，最長(zhǎng)一根約10 mm。

因此可以認(rèn)為這2 條裂紋與起伏較大斷面具有相似的裂紋擴(kuò)展行為。

圖3 斷裂過(guò)橋汽封螺栓斷口形貌

圖4 裂紋擴(kuò)展方向

從上述斷面及裂紋特征可以分析，斷面起源于平坦斷面處，并向起伏較大斷面擴(kuò)展。在平坦斷面與起伏較大斷面交界處，導(dǎo)致螺栓斷裂的裂紋在此時(shí)開(kāi)始分叉，分成2 路進(jìn)行擴(kuò)展，其中斷口側(cè)裂紋擴(kuò)展速度較快，首先擴(kuò)展結(jié)束，而另一側(cè)裂紋擴(kuò)展至10 mm 左右。

斷面宏觀(guān)形貌及細(xì)節(jié)見(jiàn)圖5。

值得注意的是，斷面存在多處機(jī)械磨損，其中有些可能為斷裂后兩側(cè)斷面相互摩擦所造成，有些可能為檢修過(guò)程中磕碰所致。其中一個(gè)斷面上還存在類(lèi)似黃銅色物質(zhì)（見(jiàn)圖6），可能是檢修時(shí)造成的。

圖5 斷面宏觀(guān)形貌

圖6 斷面損傷情況

2.3 微觀(guān)檢查

斷口的掃描電鏡顯微形貌如圖7 所示，可見(jiàn)斷口整體形貌呈冰糖狀，為沿晶斷裂。整個(gè)斷面上都存在明顯的氧化特征，氧化物為具有規(guī)則幾何形狀的小顆粒，見(jiàn)圖7（c）。另外，觀(guān)察到內(nèi)壁附近存在約25 μm 厚的截面氧化皮，見(jiàn)圖7（a）。

斷面上殘留一些10～20 μm 的點(diǎn)狀物，見(jiàn)圖7（d），存在由于導(dǎo)電性差引起的明顯荷電現(xiàn)象，EDS（能譜儀）能譜分析顯示主要成分為碳，可能為拆卸后受到污染所致。另外，斷口表面在微觀(guān)下也存在明顯的磨損，見(jiàn)圖7（b）。

仔細(xì)觀(guān)察平坦斷面下方中心加熱孔內(nèi)壁中間位置，發(fā)現(xiàn)靠近斷口附近存在較為密集的微裂紋（見(jiàn)圖8），且微裂紋方向基本平行于平坦斷面，則裂紋很可能是在內(nèi)弧面起裂，其中一條裂紋擴(kuò)展迅速造成螺栓的最終斷裂。

圖7 斷口掃描電鏡照片

圖8 平坦斷面下方附近的中心加熱孔內(nèi)壁密集微裂紋

平坦斷面下方的螺栓外弧面則較為平滑，不存在明顯的傷痕，表面均勻覆蓋有輕微的氧化結(jié)晶，如圖9 所示。外弧面除了輕微氧化外，并無(wú)明顯成分異常。

圖9 平坦斷面下方外弧面形貌

2.4 金相檢驗(yàn)

沿縱向剖開(kāi)取樣，觀(guān)察縱截面的金相組織如圖10 所示。金相組織為奧氏體等軸晶，平均晶粒度為3～4 級(jí)，并且存在明顯的大小晶粒分布，大晶粒平均直徑約150 μm，小晶粒平均直徑約40 μm。晶粒內(nèi)部分布有大量較為彌散分布的第二相顆粒。

圖10 螺栓縱向金相照片

斷口附近二次裂紋的金相組織如圖11 所示，裂紋為沿晶裂紋，且分布有大量的分叉小裂紋，因此斷裂主要為沿晶斷裂。

圖11 螺栓斷口附近二次裂紋金相照片

2.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.5.1 布氏硬度和顯微硬度

對(duì)斷裂過(guò)橋汽封螺栓進(jìn)行布氏硬度分析，結(jié)果如表3 所示?？芍菟ú际嫌捕绕骄s為346 HBW，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 布氏硬度結(jié)果

從內(nèi)弧面往外弧面打HV（顯微）硬度，如圖12 所示，HV 硬度存在一定的變化趨勢(shì)，內(nèi)弧面硬度可能稍高于外弧面。

圖12 HV 硬度試驗(yàn)點(diǎn)示意和硬度分布

2.5.2 沖擊試驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓縱向取樣，進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。在6 組數(shù)據(jù)中，存在4 組試樣沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)要求（大于等于28 J）的情況，且明顯小于之前該發(fā)電廠(chǎng)高中壓內(nèi)缸NI80A 材質(zhì)螺栓49 J 左右的沖擊功。

2.5.3 高溫拉伸試驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓縱向取樣，在560 ℃下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表5 所示。其中A1-A2 號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度太高導(dǎo)致夾具拉環(huán)，試樣未斷，結(jié)果僅供參考。由于目前尚未查到具體規(guī)定NI80A 材質(zhì)高溫拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)，因此，對(duì)Special Metal 公司提供的NI80A 說(shuō)明書(shū)中高溫拉伸力學(xué)性能圖表（見(jiàn)圖13）進(jìn)行取數(shù)，作為大致的參考，即表5中的參考值。

表4 常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 4 號(hào)汽輪機(jī)過(guò)橋汽封斷裂螺栓高溫（560 ℃）拉伸試驗(yàn)分析

圖13 Special Metal 公司提供的Nimonic 80A 說(shuō)明書(shū)中高溫拉伸力學(xué)性能圖表

從結(jié)果可以看出，斷裂螺栓在560 ℃下的高溫屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度基本處于所取參考值范圍上限附近，而斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率僅11%和13%，低于標(biāo)準(zhǔn)范圍下限。因此可知斷裂螺栓具有強(qiáng)度偏高、塑性較差的情況。

3 原因分析與討論

3.1 理化檢驗(yàn)分析

該螺栓材質(zhì)為NI80A，為鎳基高溫合金，近些年國(guó)內(nèi)譬如Alloy 783，Inconel 738，GH4145等高溫合金材質(zhì)螺栓也曾大量出現(xiàn)過(guò)在螺栓光桿處斷裂的案例，可能具有一些共性的原因。

從螺栓斷面及裂紋特征可以分析，斷面起源于平坦斷面處，并向起伏較大斷面擴(kuò)展。在平坦斷面與起伏較大斷面交界處，導(dǎo)致螺栓斷裂的裂紋在此時(shí)開(kāi)始分叉，分成2 路進(jìn)行擴(kuò)展，其中斷口側(cè)裂紋擴(kuò)展速度較快，首先擴(kuò)展結(jié)束，造成螺栓的最終斷裂。

靠近斷口附近存在較為密集的微裂紋，且微裂紋方向基本平行于平坦斷面。

螺栓斷裂主要為沿晶界開(kāi)裂，說(shuō)明高溫下晶界強(qiáng)度低。金相組織呈大小晶粒交叉分布，無(wú)明顯異常。

螺栓常溫沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吸收沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)要求（大于等于28 J），可能是導(dǎo)致螺栓斷裂的重要原因之一。斷裂螺栓在560 ℃下的高溫屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度基本處于所取參考值范圍上限附近，而斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率僅11%和13%，低于標(biāo)準(zhǔn)范圍下限，因此斷裂螺栓存在高溫強(qiáng)度偏高、塑性較低的情況。從力學(xué)性能分析可以看出，斷裂螺栓韌性、塑性差的特點(diǎn)，對(duì)于螺栓材料而言是一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題[4]。

3.2 螺栓斷裂應(yīng)力來(lái)源討論

針對(duì)造成螺栓斷裂的應(yīng)力來(lái)源，主要從安裝預(yù)緊力及偏低溫長(zhǎng)時(shí)服役后的負(fù)蠕變效應(yīng)兩方面來(lái)分析。

（1）安裝預(yù)緊力

從現(xiàn)場(chǎng)安裝記錄來(lái)看，過(guò)橋汽封8 枚螺栓的實(shí)際安裝伸長(zhǎng)量皆位于設(shè)計(jì)值±10%的容差范圍內(nèi)，因此實(shí)際安裝預(yù)緊力理論上不會(huì)過(guò)大。過(guò)橋汽封位于高中壓內(nèi)缸內(nèi)，在徑向無(wú)壓差，因此過(guò)橋汽封螺栓基本不受蒸汽壓差應(yīng)力的影響。

（2）偏低溫長(zhǎng)時(shí)服役后的負(fù)蠕變效應(yīng)

對(duì)于高中壓合缸結(jié)構(gòu)的汽輪機(jī)，高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)后的蒸汽通過(guò)過(guò)橋汽封匯入中壓缸進(jìn)汽，這部分漏汽通常稱(chēng)為過(guò)橋漏汽[5-6]，調(diào)節(jié)級(jí)至過(guò)橋汽封由于調(diào)節(jié)級(jí)后的蒸汽焓低于熱再熱蒸汽焓，漏入中壓缸的部分蒸汽降低了中壓缸進(jìn)口蒸汽參數(shù)，故進(jìn)入中壓缸的這部分漏汽將冷卻中壓缸部分的蒸汽溫度并使焓值降低，影響中壓缸效率。一方面，為了減少漏汽，要求汽封間隙盡量小；另一方面，此處是轉(zhuǎn)子撓度最大的地方，為了保證機(jī)組順利啟動(dòng)及運(yùn)行安全，汽封間隙不能過(guò)小[7]。據(jù)了解，實(shí)際運(yùn)行過(guò)橋漏汽量普遍遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值。

根據(jù)過(guò)橋汽封有限元分析（見(jiàn)圖14），可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間及負(fù)荷變化，過(guò)橋汽封螺栓斷裂處（圖14 左側(cè)）缸體蠕變量維持在一個(gè)較小水平，即該處始終處于一個(gè)比較低的工作環(huán)境中。

圖14 過(guò)橋汽封有限元模型分析

調(diào)取2016 年9 月24—26 日該發(fā)電廠(chǎng)2 號(hào)汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)（見(jiàn)表6）作為參考，在660 MW 負(fù)荷下調(diào)節(jié)級(jí)后溫度約488 ℃，330 MW 負(fù)荷下調(diào)節(jié)級(jí)后溫度約467 ℃，而高壓缸以及中壓缸進(jìn)汽溫度均在566 ℃以上。因此，根據(jù)有限元計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，對(duì)于過(guò)橋汽封位置A 的螺栓，該處受過(guò)橋漏汽溫度影響最大，并且過(guò)橋漏汽流量較大，因此螺栓服役溫度相對(duì)較低。

眾所周知，鋼和合金在高溫下受拉伸應(yīng)力的作用會(huì)隨時(shí)間而逐漸伸長(zhǎng)，稱(chēng)作高溫蠕變。如果與此相反，在一定條件下材料在高溫和應(yīng)力作用下隨時(shí)間逐漸縮短，稱(chēng)之為負(fù)蠕變[8]。圖15 為使用Jmat-Pro 材料性能計(jì)算軟件并結(jié)合Ni 基數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得到的NI80A 合金的平衡狀態(tài)相圖，可以看出在平衡狀態(tài)下約530 ℃以下會(huì)出現(xiàn)有序相Ni2Cr 相的轉(zhuǎn)變。對(duì)于NI80A 螺栓來(lái)說(shuō)，由于采用固溶后水淬并在其后的2 次時(shí)效處理基本都在700℃以上[9]，因此避開(kāi)了Ni2Cr 相的析出溫度，使得正常NI80A 螺栓中只有γ，γ′和一些碳化物[10-11]，而沒(méi)有Ni2Cr 相[12]。Ni80 合金基體γ 相主要為Ni和Cr，通常來(lái)說(shuō)Ni 原子和Cr 原子處于固溶狀態(tài)，是一種無(wú)序結(jié)構(gòu)；但是在比較長(zhǎng)的時(shí)間和相對(duì)低的溫度中服役后，晶格原子Ni 和Cr 的有序化會(huì)發(fā)生，形成具有化學(xué)計(jì)量成分的Ni2Cr 相。有序化轉(zhuǎn)變經(jīng)常出現(xiàn)在幾千小時(shí)時(shí)效以后，由于時(shí)效過(guò)程中使得γ′-Ni3（Al，Ti）繼續(xù)析出長(zhǎng)大，降低了γ相中Ni 含量，使得γ 基體成分越接近2:1，Ni2Cr 有序化轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)越快，即有序化轉(zhuǎn)變速度與γ 基體成分偏離2:1 的程度息息相關(guān)[13]。

對(duì)于NI80A 合金，有序化轉(zhuǎn)變會(huì)造成較大范圍內(nèi)晶格收縮約0．1%，從而導(dǎo)致應(yīng)力增加即負(fù)蠕變的產(chǎn)生。當(dāng)溫度低于500 ℃服役時(shí)，恰好處于NI80A 合金的有序化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，該溫度長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以后產(chǎn)生比較明顯的負(fù)蠕變，將造成螺栓內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力甚至過(guò)載（見(jiàn)圖16）[14-15]。

圖15 Nimonic 80A 平衡相圖

圖16 Nimonic 80A 應(yīng)力松弛曲線(xiàn)（0.15%固定應(yīng)變）

4 結(jié)論

（1）斷裂螺栓吸收沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)要求（大于等于28 J）、高溫拉伸強(qiáng)度偏高、高溫塑性較差，這些力學(xué)性能的異?？赡苁菍?dǎo)致螺栓斷裂的重要原因。

（2）過(guò)橋漏汽來(lái)源于高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)后的蒸汽，導(dǎo)致斷裂螺栓服役溫度相對(duì)較低（460～490 ℃）。NI80A 材質(zhì)偏低溫服役下的負(fù)蠕變效應(yīng)可能導(dǎo)致螺栓長(zhǎng)時(shí)間服役后內(nèi)部應(yīng)力增加。

（3）鑒于國(guó)內(nèi)包括GH 4145，Alloy 783，Inconel 718，NI80A 在內(nèi)的鎳基材質(zhì)螺栓的使用情況不甚理想，發(fā)生早期斷裂失效的情況較多，建議使用NI80A 作為汽缸螺栓緊固件的發(fā)電廠(chǎng)對(duì)螺栓服役溫度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于服役溫度偏低的螺栓予以材料替換，以提高機(jī)組運(yùn)行安全可靠性。

表6 2 號(hào)汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)