汽輪機(jī)中壓隔板套螺栓失效分析

李延龍

（大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 托克托010206）

1 概況

內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司12 號機(jī)組為300MW 濕冷汽輪發(fā)電機(jī)組。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠制造，型號為N300-16.7/537/537-8 型，型式為亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)。12 號機(jī)組于2007 年12 月21 日投產(chǎn)。

托電12 號機(jī)于2018 年9 月進(jìn)行A 級檢修，汽輪機(jī)進(jìn)行本體解體揭缸后，發(fā)現(xiàn)中壓缸中壓1 號隔板套螺栓，右側(cè)4-5-6發(fā)生斷裂，左側(cè)4 斷、5 裂、6 彎，斷裂螺栓位于中壓隔板2-3 級動葉之間，中壓1 級隔板套螺栓規(guī)格是M48，螺栓材質(zhì)為25Cr2MoVA，如圖1 所示。在現(xiàn)場，同時可以看到汽缸存在明顯的變形現(xiàn)象。12 號機(jī)組自2007 年12 月投產(chǎn)以來，截止本次停機(jī)累計(jì)運(yùn)行時間60790 小時。

圖1 斷裂螺栓位置現(xiàn)場照片

2 斷口分析

現(xiàn)場觀察螺栓斷裂位置，觀察斷裂螺栓斷口，螺栓中1- 右6 號斷口磨損嚴(yán)重，已經(jīng)無法判斷斷裂形式如圖3 所示；螺栓中1- 右5 號螺栓次之，但也受到了較嚴(yán)重的磨損和氧化，無法判斷斷裂形式，如圖4 所示；螺栓中1- 右4 號螺栓斷口磨損程度較低，表面呈暗灰色，斷口齊平，表面無明顯疲勞條紋，斷口表面較粗糙，符合脆性斷裂斷口形貌，如圖5 所示。從斷裂螺栓斷口磨損氧化程度判斷，中1- 右6 號螺栓為首斷螺栓，但由于斷裂螺栓斷口磨損嚴(yán)重，已經(jīng)無法判斷斷裂形式。從磨損程度較輕的中1- 右4 號螺栓斷口宏觀形貌可以看出，斷口表面呈暗灰色，斷口齊平，表面無明顯疲勞條紋，斷口表面較粗糙，為脆性斷裂斷口。經(jīng)過現(xiàn)場觀察螺栓斷裂位置，如圖2 所示，螺栓斷裂發(fā)生在螺桿部位，未發(fā)生在螺栓變截面應(yīng)力集中部位。

圖2 螺栓斷口宏觀斷口

圖3 中1- 右6 號螺栓斷口宏觀照片

圖4 中1- 右5 號螺栓斷口宏觀照片

圖5 中1- 右4 號螺栓斷口宏觀照片

3 化學(xué)成分分析

從現(xiàn)場了解到螺栓材質(zhì)為25Cr2MoVA，利用牛津FOUNDRY-MASTER PRO 型全譜直讀光譜儀對取樣螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。與DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中25Cr2MoVA 的成分相比，所測試的斷裂螺栓中中1- 右4 號螺栓C 元素含量略低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，其它正常。

表1 化學(xué)成分

4 力學(xué)性能試驗(yàn)分析

4.1 硬度試驗(yàn)

分別對斷裂螺栓進(jìn)行布氏硬度檢測，結(jié)果如下：其中中1-右5 試樣硬度260HB，中1- 右6 試樣硬度264HB 符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而中1- 右4 斷裂螺栓的硬度221HB 值低于標(biāo)準(zhǔn)要求。規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)值248-293HB。布氏硬度范圍參考自標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》。

4.2 室溫拉伸試驗(yàn)

選取中1- 右4、中1- 右5 和中1- 右6 斷裂螺栓進(jìn)行制樣，分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯?- 右5、中1- 右6 螺栓試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率均符合DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中25Cr2MoVA 的室溫性能要求，而中1- 右4 斷裂螺栓的力學(xué)性能低于標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3 室溫沖擊試驗(yàn)

對中1- 右4、中1- 右5 和中1- 右6 斷裂螺栓栓進(jìn)行取樣，分別進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，中1- 右4 沖擊吸收功為32、中1-右5 沖擊吸收功為36、中1- 右6 沖擊吸收功為35.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，三種斷裂螺栓試樣的室溫沖擊功均低于DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中25Cr2MoVA 的室溫性能要求。規(guī)程要求≥47 KU2 沖擊吸收功。

5 金相組織分析

對中1- 右4、中1- 右5 和中1- 右6 三條斷裂螺栓截取橫截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)。圖6 為中1- 右4 螺栓橫截面金相組織，圖7 為中1- 右5 斷裂螺栓橫截面金相組織，圖8 為中1- 右6 螺栓橫截面金相組織。金相腐蝕劑為4%硝酸酒精?？梢钥闯觯拥? 條斷裂螺栓組織均為均勻的回火索氏體，橫截面中心位置和邊緣位置組織相同，無明顯不均勻。

6 綜合分析

對斷裂的25Cr2MoVA 試樣螺栓分別進(jìn)行了宏觀形貌分析、化學(xué)成分分析、金相微觀組織分析、力學(xué)性能分析、顯微組織和斷口形貌分析，主要分析如下：

6.1 化學(xué)成分分析中，發(fā)現(xiàn)中1- 右4 號試樣C 含量低于標(biāo)準(zhǔn)下限，其余合金元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.2 硬度試驗(yàn)中，中1- 右4 號螺栓布氏硬度低于標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中25Cr2MoVA 材料硬度要求，中1- 右4 和中1- 右5 號螺栓硬度正常。

6.3 金相微觀組織分析中，中1- 右4、中1- 右5 和中1-右6 三個螺栓試樣組織正常，試樣橫截面中心位置和邊緣位置未見明顯的組織不均勻。

6.4 室溫力學(xué)性能分析中，所檢測的中1- 右5 和中1- 右6斷裂螺栓試樣的力學(xué)性能各指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中25Cr2MoVA 材料室溫力學(xué)性能要求，而的中1- 右4 則低于標(biāo)準(zhǔn)的要求；但三種斷裂螺栓的沖擊功均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.5 斷口形貌分析中，從磨損程度判斷，中1- 右6 號螺栓磨損最為嚴(yán)重，為首斷螺栓，但由于磨損氧化導(dǎo)致無法對斷裂形式進(jìn)行分析；中1- 右5 號螺栓磨損程度次之，但也無法對斷裂形式進(jìn)行分析；中1- 右4 號螺栓磨損程度較輕，從宏觀形貌判斷符合脆性斷裂斷口形貌特征，該斷口形式也與抽檢試樣室溫沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)要求相符。

表2 室溫拉伸性能

圖6 中1- 右4 螺栓橫截面金相組織（a）（b）

圖7 中1- 右5 螺栓橫截面金相組織（a）（b）

圖8 中1- 右6 螺栓橫截面金相組織（a）（b）

中1- 右4 號螺栓的性能雖然低于標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，但是從現(xiàn)場和分析可以看出，該螺栓為非首斷螺栓。從現(xiàn)場和分析可以看出，中1- 右6 號螺栓為首斷螺栓，但由于斷裂螺栓斷口磨損嚴(yán)重，已經(jīng)無法判斷斷裂形式，這說明引起螺栓的斷裂的原因并非完全材質(zhì)的因素。

6.6 根據(jù)東汽廠提供的圖紙資料可知，中壓1 級隔板套螺栓材質(zhì)與安裝圖紙上提供的螺栓材料不符。中壓一級隔板套螺栓原設(shè)計(jì)材質(zhì)為20Cr1Mo1VNbTiB（爭氣1 號鋼），按照DL/T439標(biāo)準(zhǔn)，此材料的推薦使用溫度是550℃，而25Cr2MoV 螺栓材料使用溫度是500℃。中壓1 級隔板套螺栓與原設(shè)計(jì)圖紙螺栓材質(zhì)不符，材料使用等級較低。

25Cr2MoVA 材料螺栓的最高使用溫度為500℃，而中壓一級隔板套螺栓使用溫度約為530-540℃，不滿足中壓缸中壓隔板套螺栓的使用要求，不符合DL/T 715-2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》的要求。但是從該材料的使用情況可以看出，該材料已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)60790 小時，期間未出現(xiàn)相關(guān)的失效事故，同時從材料的顯微組織可以看出，經(jīng)過長達(dá)60790 小時的運(yùn)行，顯微組織并未發(fā)生明顯變化，這說明在該溫度下運(yùn)行時25Cr2MoVA 材料螺栓的失效的直接原因并不是錯用材質(zhì)造成的。

6.7 根據(jù)現(xiàn)場中壓1 級隔板套和中壓1、2、3 級隔板變形量測試結(jié)果可知，中壓2 級隔板最大變形為1.28mm，中壓1 級隔板套上半最大變形量為4.92mm。隔板與隔板套發(fā)生較大的變形，導(dǎo)致螺栓受力狀態(tài)發(fā)生變化，螺栓斷裂與隔板套變形量有一定關(guān)系，這是引起錯用螺栓斷裂的首要原因。氣缸變形導(dǎo)致螺栓承受較大的附加應(yīng)力，當(dāng)超過螺栓材料的極限后引起中1- 右6 號螺栓的斷裂，該螺栓的斷裂又引起其它螺栓的斷裂。

因此，綜合分析可以看出，隔板套變形是造成螺栓的斷裂的主要原因。

7 結(jié)論及優(yōu)化意見

7.1 隔板套變形存在明顯的變形，隔板套變形引起螺栓存在較大的附加應(yīng)力是造成螺栓斷裂的主要原因。

7.2 螺栓錯用材質(zhì)，螺栓實(shí)際選材等級低于圖紙要求，導(dǎo)致螺栓服役安全性低于設(shè)計(jì)要求。

7.3 首斷螺栓室溫沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)要求，成分、硬度、室溫拉伸等指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

7.4 由于主要原因?yàn)楦舭逄鬃冃?，意見為要求汽輪機(jī)本體技術(shù)人員每次檢修認(rèn)真測量隔板及隔板套變形數(shù)據(jù)并留存與下一次檢修對比，兩個檢修周期隔板及隔板套變形量之間的變化。

7.5 按照圖紙重新普查所有螺栓及其他緊固件材質(zhì)，如發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)不符立即更換。

7.6 按照規(guī)程對所有緊固件及隔板等監(jiān)督部件做更仔細(xì)的無損檢測及理化試驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)異常及時更換。

發(fā)電廠是一個需要長期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的企業(yè)，認(rèn)真學(xué)習(xí)各項(xiàng)技術(shù)，在以后的機(jī)組檢修工作中，提前發(fā)現(xiàn)更多的安全隱患，來為電廠的安全生產(chǎn)工作保駕護(hù)航。