汽輪機(jī)高溫螺栓斷裂失效的測(cè)試與分析

劉齊峰

（國家能源集團(tuán)華北電力有限公司廊坊熱電廠，河北 廊坊 065000）

長期處在高溫下運(yùn)行后，螺栓會(huì)逐漸老化，并且存在很多故障模式。根據(jù)螺栓的破壞機(jī)理，可分為螺紋卡死，應(yīng)力腐蝕，材料熱脆老化，接觸面泄漏，蠕變，疲勞以及中心孔燒傷等。螺栓失效的判據(jù)有以下5個(gè):根據(jù)螺栓運(yùn)行時(shí)間計(jì)算的壽命損耗達(dá)到100%；發(fā)現(xiàn)有裂紋的螺栓；殘余伸長率為100%；外觀嚴(yán)重?fù)p壞且無法修理的螺栓；以及中心孔局部燃燒發(fā)生熔化的螺栓。鑒于蠕變斷裂可以說是高溫螺栓在火電廠中最普遍的一種螺栓失效情況，在對(duì)高溫螺栓進(jìn)行監(jiān)督檢查時(shí)，檢查的關(guān)鍵可以集中到蠕變損傷情況。以下介紹螺栓現(xiàn)場(chǎng)的檢查方法，并結(jié)合具體案例進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)場(chǎng)螺栓檢查方法

現(xiàn)場(chǎng)螺栓檢查方法主要包括以下幾種:宏觀檢查，無損檢查（超聲波、磁粉、染色、中心孔的內(nèi)窺鏡觀察）[1-2]，金相檢驗(yàn)[34]，硬度測(cè)量和螺栓蠕變伸長率測(cè)量。根據(jù)螺栓失效標(biāo)準(zhǔn)和高溫螺栓常見的蠕變破壞機(jī)理，螺栓現(xiàn)場(chǎng)檢查方法的有效性分析如下。

（1）宏觀檢查。目視檢查或放大鏡檢查，應(yīng)集中精力檢查第1根螺紋的根部是否有裂紋。該方法簡單易行，技術(shù)含量低，檢出率高。

（2）無損檢查（超聲波探傷或著色檢查）。該檢查需要具有相應(yīng)的檢查資格，技術(shù)含量較高，宏觀裂紋缺陷檢出率也較高。

（3）金相檢驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)主要用于檢查25Cr2 Mo V，25Cr2 Mo1 V 螺栓材料結(jié)構(gòu)是否粗大或是否存在黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界。例如，如果存在明顯的黑網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界，則應(yīng)更換25Cr2 Mo V 鋼螺栓。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)金相只能檢查拋光的桿部或螺栓端部，而不能檢查螺紋根部，所以金相組織只能用作評(píng)估材料性能的參考指標(biāo)，通常對(duì)于評(píng)估高溫螺栓的蠕變損傷是無效的。

（4）硬度測(cè)量。硬度可以間接反映材料的強(qiáng)度和韌性。較低的硬度表示較低的強(qiáng)度，較高的硬度表示其韌性可能較差。因此，DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》要求火力發(fā)電廠在高溫下要密閉，并且規(guī)定了對(duì)各種材質(zhì)螺栓的硬度的上下限[5]。例如，若25Cr2 Mo V 鋼螺栓的硬度超過HB300，則應(yīng)將其更換。但是硬度和蠕變損傷之間沒有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，螺栓硬度值只能用于間接評(píng)估其材料性能，而不能用于評(píng)估螺栓蠕變損傷的程度。

（5）螺栓蠕變伸長率測(cè)量。DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，在使用新螺栓之前，應(yīng)先測(cè)量螺栓長度（并指定具體的測(cè)量方法），并進(jìn)行隨后的大修，應(yīng)測(cè)量1/3螺栓的蠕變變形。高溫螺栓的蠕變伸長率測(cè)量對(duì)于判斷蠕變損傷非常有效。

下面以實(shí)際案例具體分析高溫螺栓的斷裂失效原因。

2 案例基本情況

某電廠2號(hào)機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行約65 000 h。在檢修過程中，發(fā)現(xiàn)高壓主蒸汽閥螺栓、中壓主蒸汽閥螺栓、高壓調(diào)速閥螺栓、中壓調(diào)速閥螺栓、過熱器安全閥螺栓和高壓蒸汽管氣缸法蘭螺栓斷裂[6-8]。檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的螺栓數(shù)量、材質(zhì)、規(guī)格和斷裂的螺栓數(shù)量如表1所示。選取4個(gè)具有代表性的螺栓，開展相應(yīng)的測(cè)試和分析，這4個(gè)螺栓的名稱，規(guī)格和材質(zhì)如表2所示[911]。

表1 高溫螺栓斷裂的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 測(cè)試螺栓信息

3 測(cè)試與分析

3.1 斷裂形態(tài)分析

所有斷裂的螺栓在第1圈螺紋的根部斷裂，斷裂表面被氧化成黑色，截面比較粗糙，可見裂紋，但沒有明顯的疲勞膨脹。裂紋最初產(chǎn)生于第1圈螺紋的根部，隨后從外到內(nèi)，從一側(cè)到另一側(cè)擴(kuò)展。對(duì)于帶有中心孔的螺栓，最終的斷裂區(qū)域在螺栓中心孔處；對(duì)于無中心孔的螺栓，在裂縫源的相反側(cè)。對(duì)于部分開裂的螺栓，螺栓沿裂縫斷裂后，斷裂明顯分為兩部分。舊斷裂的形態(tài)與完全斷裂的螺栓相同，斷裂表面被氧化成黑色，截面粗糙，裂紋方向可見，但沒有明顯的疲勞膨脹。螺栓的斷裂形態(tài)均具有蠕變斷裂特性。

3.2 金相分析

對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)，圖1是1號(hào)高壓主蒸汽閥門螺栓的基體結(jié)構(gòu)，圖2是3號(hào)螺栓中壓調(diào)速器的基體結(jié)構(gòu)。從圖1、圖2可以看出，1號(hào)螺栓的基體金相組織為回火貝氏體，而3號(hào)螺栓的金相組織為回火索氏體，沒有明顯的黑網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界，金相組織屬于正常狀態(tài)。將垂直于裂紋源截面的螺栓表面制樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。從圖3-6可以清楚的看到，在1號(hào)和2號(hào)2個(gè)高壓主蒸汽閥門螺栓的斷裂附近，有明顯的鏈狀蠕變孔沿著晶界分布；而在3號(hào)和4號(hào)2個(gè)螺栓的斷裂附近，有明顯的蠕變微裂紋沿著晶界分布。于是，從金相檢驗(yàn)結(jié)果就可以得出，所選取的4個(gè)代表性螺栓的斷裂機(jī)理為蠕變斷裂。

圖1 1號(hào)螺栓基本結(jié)構(gòu)（500×）

圖2 3號(hào)螺栓基本結(jié)構(gòu)

圖3 1號(hào)螺栓蠕變孔

圖4 2號(hào)螺栓蠕變孔

圖5 3號(hào)螺栓蠕變孔

圖6 4號(hào)螺栓蠕變孔

3.3 化學(xué)成分分析

表3列出了4 個(gè)螺栓的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果。2個(gè)高壓主蒸汽閥門螺栓（1 號(hào)，2 號(hào)）的材質(zhì)為20Cr1 Mo1 VTi B，與設(shè)計(jì)材質(zhì)一致。中壓調(diào)速閥螺栓（3號(hào)）的設(shè)計(jì)材質(zhì)為20Cr1 Mo1 V1，經(jīng)測(cè)試為25Cr2 Mo V，與設(shè)計(jì)材質(zhì)不符。高壓蒸汽管法蘭螺栓（4號(hào)）的材質(zhì)為25Cr2 Mo V，與設(shè)計(jì)材質(zhì)一致。

表3 螺栓化學(xué)成分的測(cè)試結(jié)果

3.4 硬度檢查

對(duì)上述4個(gè)斷裂的螺栓進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果列于表4。4個(gè)螺栓中，1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)螺栓的硬度指標(biāo)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低限值，并且沒有超過標(biāo)準(zhǔn)最高限值的高硬度螺栓。

表4 螺栓硬度測(cè)試結(jié)果

3.5 室溫沖擊試驗(yàn)

表5示出了室溫下的螺栓沖擊試驗(yàn)的結(jié)果。在這4個(gè)螺栓中，3個(gè)（1號(hào)，2號(hào)，4號(hào)）的沖擊值低于標(biāo)準(zhǔn)的下限。根據(jù)實(shí)際材料（25Cr2 Mo V），只有3號(hào)（中壓調(diào)速閥螺栓）螺栓合格。

表5 室溫下螺栓沖擊試驗(yàn)的結(jié)果

3.6 室溫拉伸試驗(yàn)

對(duì)4個(gè)螺栓進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果列于表6。樣品1號(hào)和2號(hào)的性能合格，2個(gè)樣品3號(hào)和4號(hào)的強(qiáng)度指標(biāo)合格，但可塑性指數(shù)接近或略低于下限。

表6 室溫下螺栓的拉伸測(cè)試結(jié)果

4 螺栓斷裂的原因分析

4個(gè)螺栓的斷裂機(jī)理是蠕變斷裂。1 號(hào)和2號(hào)2個(gè)螺栓的材料為20Cr1 Mo1 VTi B，2個(gè)螺栓3號(hào)和4號(hào)的材料為25Cr2 Mo V，螺栓3 號(hào)的材料比原始設(shè)計(jì)材料（20Cr1 Mo1 V1）低一級(jí)。

螺栓的工作溫度約為540 ℃，即在蠕變環(huán)境中使用，螺栓的第1螺紋根部應(yīng)力集中較大。在高溫下長期運(yùn)行后，該零件將形成蠕變孔或蠕變微裂紋。這些蠕變孔或蠕變微裂紋將從螺栓的中心逐漸向外發(fā)展，最終導(dǎo)致斷裂。

蠕變斷裂像機(jī)械疲勞斷裂一樣，也是由裂紋形成、逐步發(fā)展和最終斷裂3個(gè)階段組成，但斷裂形態(tài)不同于機(jī)械疲勞斷裂。蠕變斷裂通常被氧化成黑色，并且裂紋可見，但是沒有疲勞膨脹。最終斷裂面積小，斷裂的塑性變形不明顯。宏觀上，它很容易被誤認(rèn)為是一次性脆斷[12- 13]。

高溫螺栓第1螺紋根部的蠕變斷裂是最常見的損壞形式，2號(hào)機(jī)組僅累計(jì)運(yùn)行65 000 h。高壓主蒸汽閥門螺栓和中壓調(diào)速閥螺栓發(fā)生大量破裂和故障。應(yīng)從螺栓裝配過程和螺栓材料性能中查找原因。

蠕變失效的另一個(gè)重要因素，是由于安裝期間過度預(yù)緊，進(jìn)一步惡化了螺栓的損壞程度[1415]。由于連接的螺栓具有傳力均勻，剛性高的特點(diǎn)，當(dāng)外力小于同一法蘭上螺栓的擰緊力時(shí)，它們承受的應(yīng)力是不一樣的，從而導(dǎo)致螺栓在同一法蘭上以高緊力蠕變并過早失效。

在相同的載荷條件下，螺栓的蠕變壽命主要取決于材質(zhì)的強(qiáng)度及韌性，從而帶來了不同的抗蠕變斷裂性能。這次測(cè)試中，高壓主蒸汽閥門螺栓1號(hào)和2號(hào)的硬度和沖擊韌性，以及4號(hào)螺栓的拉伸試驗(yàn)的塑性指數(shù)，均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低限值，3號(hào)螺栓的材料比原始設(shè)計(jì)材料低一級(jí)，由于強(qiáng)度不足提前斷裂。同時(shí)，通過對(duì)高壓主蒸汽閥門螺栓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)試，結(jié)果表明，盡管螺栓硬度合格，但依然較低。所有的32個(gè)螺栓的硬度范圍處于248～261 HB，其中有20個(gè)螺栓的硬度接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低限值，約占總數(shù)的62.5%。之中有2個(gè)原因造成了螺栓的硬度和韌性普遍較低，一方面是長期的高溫運(yùn)行環(huán)境降低了螺栓的硬度和韌性，另一方面這些螺栓本身的材料強(qiáng)度和韌性偏低，也是導(dǎo)致螺栓過早損壞的重要因素。

5 結(jié)論和建議

（1）4個(gè)螺栓的斷裂機(jī)理為蠕變斷裂。

（2）預(yù)先發(fā)生螺栓的蠕變斷裂可能與單個(gè)螺栓的過度預(yù)緊應(yīng)力以及螺栓材質(zhì)本身的性能低（抗蠕變斷裂性）有關(guān)。3號(hào)螺栓材料比原始設(shè)計(jì)低一級(jí)，這可能是其過早失效的主要原因。

（3）高溫螺栓的監(jiān)督檢查方法應(yīng)以外觀檢查、無損檢查（超聲波檢查或顏色檢查）和蠕變伸長率測(cè)量為基礎(chǔ)，并輔以金相和硬度檢驗(yàn)。

（4）目前，蠕變伸長率的測(cè)量方法很少用于電廠螺栓的監(jiān)督檢查中，蠕變伸長率對(duì)于確定高溫螺栓的蠕變損傷非常有效。電站今后應(yīng)加強(qiáng)此項(xiàng)檢查工作。新螺栓在投入運(yùn)行之前應(yīng)建立螺栓長度檔案，使用中的螺栓應(yīng)與大修、小修相結(jié)合，以逐步建立完善的螺栓長度檔案，這對(duì)于將來對(duì)螺栓的蠕變監(jiān)測(cè)是必不可少的。

（5）DL/T 439—2018《火電廠高溫緊固件技術(shù)指南》規(guī)定了需要對(duì)螺栓部件蠕變伸長率進(jìn)行測(cè)量。由于螺紋根部比螺桿部分更容易發(fā)生斷裂，并且嚴(yán)重的蠕變損傷和測(cè)量螺栓的全長比測(cè)量螺紋部分更容易，因此建議測(cè)量包括兩端螺紋部分的螺栓全長。