某電廠高壓主汽門螺帽變形及螺栓斷裂分析

馮紅武，沈祎儂，高瑞陽，田 澤，葉建鋒

（1.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

高溫螺栓是火力發(fā)電廠汽輪機組重要的緊固連接零部件，直接影響汽輪機組的安全性［1-3］。高溫螺栓工作環(huán)境惡劣，運行中受到溫度、應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)的作用，會逐漸失效，失效方式以脆性斷裂居多［4-7］，而配套螺帽的變形，會導致螺栓緊固不牢靠，產(chǎn)生泄漏事故。

高溫螺栓在高溫高壓環(huán)境中使用，運行過程中承受拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，要求具有較高的松弛穩(wěn)定性和屈服強度，其材料應(yīng)具有較高的持久塑性和韌性，良好的抗高溫氧化、蠕變持久性能、熱加工和機械加工性能、良好的組織穩(wěn)定性及較小的熱脆傾向［8-11］。此外，還要確保螺栓符合裝卸要求。

目前，高溫螺栓材質(zhì)主要有12%Cr鐵素體不銹鋼、合金鋼及高溫合金［12-15］等。20Cr1Mo1VNbTiB 為低合金高強鋼，具有良好的力學性能、較好的淬透性以及較高的抗松弛性能，廣泛應(yīng)用于電廠高溫螺栓，但該牌號鋼對熱處理比較敏感，易出現(xiàn)粗晶［16-18］，在持續(xù)高溫下運行，粗晶部位會產(chǎn)生微裂紋，最后發(fā)生斷裂。本文對某電廠汽輪機高溫螺帽變形及螺栓斷裂失效原因進行分析，為同類電廠的金屬技術(shù)監(jiān)督起到參考作用。

1 概況

某電廠2 號機組汽機在檢修拆除過程中，發(fā)現(xiàn)高壓主汽門門蓋內(nèi)有多個螺栓斷裂、螺帽變形現(xiàn)象。該批次的螺栓和螺帽運行時間接近1萬h，通過查詢到貨驗收記錄，螺栓和螺帽的材質(zhì)均為20Cr1Mo1VNbTiB，螺帽規(guī)格為M36×14 mm，螺栓規(guī)格為M24×84 mm，設(shè)計溫度為569 ℃，設(shè)計壓力為24.2 MPa。

2 試驗與分析

2.1 螺栓安裝位置圖

根據(jù)電廠提供的現(xiàn)場運行圖片及設(shè)備圖紙，如圖1所示，紅色箭頭所指位置為斷裂螺栓運行的部位，圖1（b）為螺栓的側(cè)視圖紙，箭頭所指為其安裝運行位置。

圖1 門蓋螺栓運行位置及側(cè)視圖Fig.1 Operation position and side view of door cover bolts

2.2 螺栓及螺帽的宏觀檢查

對斷裂螺栓進行宏觀檢查，斷裂位置位于螺帽口，另一半已經(jīng)找不到了；螺帽內(nèi)部剩余的螺栓由于放置時間過長，表面已經(jīng)覆蓋了很厚的氧化物。另外，對同一批，位于同一位置同時服役的螺栓進行外觀檢測，發(fā)現(xiàn)其部分有蒸汽吹損現(xiàn)象，從吹損位置切開，發(fā)現(xiàn)螺帽也存在變形，如圖2（b）中5 號所示；對斷裂的螺栓、吹損螺栓、以及備品螺栓進行編號為1號、2號、3號，如圖2（a）所示；對斷裂螺栓配套螺帽、吹損螺栓配套的變形螺帽、以及備品螺帽進行編號，為4號、5號、6號，如圖2（b）所示；通過宏觀檢查，4號螺帽有不規(guī)則變形的現(xiàn)象，5號螺帽變形嚴重，最窄的位置快到螺帽邊緣，6號備品螺帽孔為規(guī)則的六邊形。

圖2 螺栓及螺帽圖Fig.2 Bolts and nuts image

2.3 光譜分析

對螺栓以及螺帽進行光譜分析，檢測位置如圖2（1號為背面，2號、3號為螺栓橫截面，4號、5號、6號為圓弧面），分析結(jié)果如表1。3 號、6 號樣品材質(zhì)符合標準《DL/T439-2018 火力發(fā)電廠高壓緊固件技術(shù)導則》［19］和《GB/T 20410-2006 渦輪機高溫螺栓用鋼》［20］中牌號20Cr1Mo1VNbTiB的要求，1號、2號、4號、5號樣品的P元素不符合標準要求，其余元素符合標準要求。

表1 螺栓及螺帽化學成分（單位：%）Table 1 Chemical composition of bolts and nuts(unit:%)

2.4 硬度試驗

對螺栓以及螺帽進行硬度試驗（1 號螺栓為紅色圓圈背面，2號、3號螺栓為箭頭指向位置橫截面，4號、5號、6號螺帽為箭頭指向位置），試驗結(jié)果如表2所示，3個螺栓的硬度值均符合《DL/T 439-2018 火力發(fā)電廠高壓緊固件技術(shù)導則》中牌號20Cr1Mo1VNbTiB 的要求；3 個螺帽中，5 號螺帽的硬度遠高于標準的要求。由宏觀圖片可以看出，5號螺帽變形嚴重，與其連接的螺栓部分缺失，為蒸汽吹損，可能會導致主汽門蒸汽泄漏［21-22］。經(jīng)查標準，20Cr1Mo1VNbTiB 熱處理的條件為1 020 ℃～1 040 ℃淬火油冷，680 ℃～720 ℃回火6 h后空冷［23-26］。

表2 螺栓及螺帽硬度檢測結(jié)果(HB)Table 2 Hardness tests of bolts and nuts（HB）

2.5 金相分析

分別對螺栓和螺帽進行金相分析，結(jié)果如圖3 所示，金相組織均為貝氏體，對照標準《DL/T 439-2018附錄C》的圖譜對組織進行晶粒度評級，圖片為100 倍下的組織。1號螺栓的晶粒度為2級，2號螺栓晶粒度為3 級，4 號螺帽晶粒度為3 級，晶粒度均粗于5 級，而按照標準《DL/T438-2016 火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》［27］中14.4的要求，20Cr1Mo1VNbTiB 的晶粒度粗于5 級，需更換，6 號螺帽晶粒度為5 級，3 號螺栓晶粒度為7 級。從金相圖譜可以看出，5 號螺帽有很多孔洞，為高溫蠕變孔洞［28］，個別孔洞直徑達到95 μm，已無法分辨其晶粒度級別。

圖3 螺栓及螺帽金相組織Fig.3 Metallographic microstructure of bolt and nut

2.6 斷口分析

汽機高壓主汽門門蓋螺栓斷口位于螺栓與螺帽交接處，斷口稍微凹下去，垂直于螺栓軸向；從圖4（a）可以看出，最后斷裂區(qū)域延伸反向收斂于螺栓根部，為斷裂源，斷裂源區(qū)外側(cè)有黃色的氧化物富集，為初始裂紋長時間氧化所致；擴展區(qū)以兩個點為中心（紅色圓框），快速向前延伸，有可見的放射棱線，并伴有二次裂紋（白色圓框）；從圖4（b）可以看出，斷口最后斷裂區(qū)很小，沒有明顯的塑性變形，為脆性斷裂［29-31］，斷裂源區(qū)，斷口表面比較平滑，未見疲勞特征；圖4（c）為斷口源區(qū)高倍圖，可以看出有河流形條紋，為解理斷裂［32-35］；圖4（d）可以看出，斷口擴展區(qū)有許多條狀的微裂紋。

圖4 螺栓斷口宏觀及SEM圖Fig.4 Macroscopic and SEM images of bolt fracture

3 綜合分析

變形螺帽及斷裂螺栓的P元素含量不符合標準要求，其余元素符合標準要求，而備品的材質(zhì)符合標準要求，P元素主要影響鋼材的低溫力學性能。5號螺帽硬度檢測位置接近焊接點，硬度值不符合標準要求，其余螺栓螺帽均符合標準要求，該螺帽與螺栓連接部位并不是通過螺紋螺旋連接，而是焊接連接，焊接過程產(chǎn)生的溫度遠高于淬火及回火溫度，加上螺帽本身較薄，20Cr1Mo1VNbTiB 鋼對熱處理較敏感，焊接完成后的冷卻過程，相當于一次熱處理，并且連接部位有部分吹損，可能對材料的組織和性能有影響。

20Cr1Mo1VNbTiB 鋼對熱處理比較敏感，長期在高溫高壓條件下使用，容易出現(xiàn)粗晶，粗大的晶粒使螺栓內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，在外力作用下最終斷裂，1根螺栓斷裂后，整個汽門門蓋受力不均，振動加大，會導致其他螺栓斷裂，同時，不合理的焊接加工，導致螺帽過熱，在后續(xù)使用過程中，受到軸向的拉力而變形。

斷裂螺栓及變形螺帽的金相組織為粗大的貝氏體，且晶粒度級別已經(jīng)達到需要更換的條件，金相組織不合格是導致其斷裂的主要原因。

4 結(jié)語

對同批次同廠家及相同運行溫度的螺栓提高檢測的比例，發(fā)現(xiàn)外觀變形、有開裂的螺栓應(yīng)予以更換，對于焊接而成的螺栓螺帽連接件，應(yīng)換成一次加工成型的。檢修時，對螺栓進行周期性抽檢，發(fā)現(xiàn)硬度或金相組織不合格應(yīng)及時更換，或?qū)M織不合格螺栓重新熱處理。