電廠動平衡連接管法蘭螺栓斷裂原因分析

王昊

摘 要：某電廠20Cr1Mo1VNbTiB動平衡連接管法蘭螺栓在運(yùn)行時發(fā)生斷裂，采用宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、斷口分析以及裝配環(huán)境檢查等方法對失效螺栓進(jìn)行分析。結(jié)果表明，失效螺栓的化學(xué)性能及力學(xué)性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，斷口裂紋為多源斷裂，裂紋為沿晶裂紋，失效螺栓為過載斷裂，引起螺栓失效的原因主要為螺栓預(yù)緊力過大，導(dǎo)致螺栓長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，最終產(chǎn)生斷裂。

關(guān)鍵詞：螺栓;過載斷裂;力學(xué)性能;金相檢驗(yàn)

中圖分類號：TF762 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0033-04

Abstract： The flange bolt of 20Cr1Mo1VNbTiB dynamic balance connecting pipe in a power plant broke during operation. The failed bolt was analyzed by means of macro inspection， chemical composition analysis， mechanical property test， metallographic inspection， fracture analysis and assembly environment inspection. The results show that the chemical and mechanical properties of the failed bolt conform to the the national standards，fracture cracks are multi-source cracks， the cracks are intergranular cracks， the failure bolt is overload fracture. The main reason for bolt failure is that the bolt preload is too large， which leads to the bolt in a high stress state for a long time and finally fracture.

Keywords： bolt;overload fracture;mechanical properties;metallographic examination

高溫緊固螺栓是火力發(fā)電廠重要的金屬監(jiān)督部件，主要起緊固、密封、連接的作用。高溫緊固螺栓在工作中處于較高的溫度和拉伸應(yīng)力的狀態(tài)，有時也會承受彎曲應(yīng)力[1]，屬于高應(yīng)力區(qū)域，一旦發(fā)生失效，將會導(dǎo)致設(shè)備損壞和機(jī)組停運(yùn)，甚至?xí)?dǎo)致人員傷亡。近年來，因螺栓斷裂而導(dǎo)致發(fā)電廠事故的情況時有發(fā)生，為電廠的安全生產(chǎn)帶來了較大的安全隱患。為適應(yīng)高溫、高應(yīng)力及蒸汽氧化腐蝕的工作環(huán)境，高溫螺栓材料需要具有較高的屈服強(qiáng)度、足夠強(qiáng)的塑性和韌性以及一定的抗高溫氧化性[2-3]。20Cr1Mo1VNbTiB是我國自行研制的低合金高強(qiáng)度鋼，也叫做爭氣1號鋼，是一種電廠高溫螺栓用鋼，具有良好的持久強(qiáng)度和抗松弛性能，熱脆傾向小，缺口敏感性低，主要用于溫度低于570 ℃的位置，在火力發(fā)電廠機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。某電廠于2018年10月投入運(yùn)行，2021年1月在機(jī)組運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)高中壓外缸上半中部漏汽。經(jīng)現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，蒸汽泄露的原因?yàn)閯悠胶膺B接管法蘭螺栓斷裂，造成法蘭密封不嚴(yán)，導(dǎo)致蒸汽泄露。為查明螺栓斷裂的原因，以便采取預(yù)防措施防止類似事件的發(fā)生，本文對斷裂螺栓進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，并對類似問題提出合理化建議及預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)分析

1.1 宏觀檢查

圖1為斷裂螺栓，圖2為斷裂螺栓的斷口宏觀形貌。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，斷口處存在大量的氧化物，并且存在兩處裂紋起源，終斷區(qū)較小，斷口面未見疲勞特征。斷口處可分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、剪切唇區(qū)3個區(qū)域，符合過載斷裂形貌特征。

1.2 化學(xué)分析

對失效螺栓取樣并進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，所檢螺栓的化學(xué)成分均符合《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 439—2018）對20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的技術(shù)要求。

1.3 室溫力學(xué)性能

按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010），在失效螺栓上沿軸向截取拉伸試樣，試樣是2個標(biāo)距為5 mm的棒狀試樣（編號1-1、1-2），在UTM5305HA/300KN型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。按照《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T 229—2007）和《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 439—2018）的要求，在失效螺栓斷口附近沿軸向截取2個尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的夏比沖擊試樣（編號1-3、1-4），加工成U形缺口，在PTM2302-D型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，失效螺栓力學(xué)性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

按照《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》（GB/T 231.1—2018），采用320HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)對失效螺栓斷口附近橫截面沿徑向從心部至表面進(jìn)行硬度測試，螺栓硬度測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，螺栓硬度值從心部至表面逐漸增加，失效螺栓硬度符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

將失效螺栓沿中間面及裂紋起源處切開（見圖3），分別進(jìn)行金相檢查及斷口形貌觀察。

將試樣按照《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 884—2019）的方法經(jīng)120號砂紙粗磨，去除表面打磨痕跡，然后經(jīng)240、360、480、600、1 000號砂紙進(jìn)行反復(fù)細(xì)磨后，采用MoPao3S-C型拋光機(jī)進(jìn)行拋光。拋光后的試樣采用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，并用酒精進(jìn)行清洗，在Leica DMi8 C型徠卡倒置式顯微鏡上觀察顯微組織形貌，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，螺栓顯微組織為回火貝氏體，組織未見異常，斷口處表面已被氧化，同時在靠近斷口的第二齒螺牙根部的R角處發(fā)現(xiàn)一處裂紋。對該區(qū)域進(jìn)行顯微觀察，金相檢查結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，該裂紋為沿晶裂紋。

1.5 斷口分析

將螺栓斷口表面用20%鹽酸清洗，去除表面氧化層，露出金屬斷口形貌，并利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果如圖6所示。螺栓的裂紋源區(qū)及裂紋擴(kuò)展區(qū)均為準(zhǔn)解理斷口，瞬斷區(qū)可以觀察到韌窩的存在。

1.6 現(xiàn)場裝配調(diào)查

對斷裂螺栓進(jìn)行現(xiàn)場檢查，并觀察裝配過程發(fā)現(xiàn)，斷裂螺栓位于狹小空間內(nèi)，工人在現(xiàn)場安裝時未使用帶有定力功能的安裝設(shè)備，并且采用一般的扳手進(jìn)行裝配，用力大小依靠經(jīng)驗(yàn)控制，容易造成螺栓預(yù)緊力過大，使螺栓在運(yùn)行時承受較大的應(yīng)力。

2 綜合分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，螺栓的金相組織未見異常，拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度檢測均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);通過檢查螺栓的斷口形貌發(fā)現(xiàn)，斷口表面均已被氧化，裂紋源位于螺紋的R角根部處。斷口面存在2處裂紋起源，終斷區(qū)較小，斷口下一齒螺紋根部存在微裂紋，裂紋呈沿晶斷裂特征，屬于多源斷裂，瞬斷區(qū)有觀察到韌窩的存在，斷口面未見疲勞特征。通過觀察斷口可知，斷口區(qū)域分為兩處裂紋源區(qū)，即擴(kuò)散區(qū)和剪切唇區(qū)，符合過載斷裂的三要素。綜合分析，該斷口屬于過載斷裂[6-10]。

過載斷裂原因?yàn)槁菟ㄒ堰\(yùn)行多年，長期服役于530 ℃工作環(huán)境下，加之螺栓預(yù)緊力偏大，使螺栓長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下服役，較高的應(yīng)力集中在螺紋根部，最終發(fā)生沿晶開裂。

3 結(jié)語

螺栓斷裂為過載斷裂，引起螺栓斷裂的原因與螺栓長期處于高溫狀態(tài)及過大的螺栓預(yù)緊力有關(guān)。螺栓的質(zhì)量正常，力學(xué)性能及組織性能符合國家相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，斷裂與原材料本身無關(guān)。

建議嚴(yán)格控制螺栓的安裝過程，現(xiàn)場操作時控制施加的預(yù)緊力，規(guī)范操作方法，定期標(biāo)定力矩扳手，以減少誤差值，確保力矩扳手的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。檢修過程中對螺栓進(jìn)行100%超聲波檢驗(yàn)和預(yù)緊力檢查，若發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

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