汽輪機(jī)主汽門螺栓斷裂失效分析

陳 樹，吳旭煒

（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

某電廠3#機(jī)組B 側(cè)主汽門雙頭螺栓在使用中發(fā)生斷裂，螺栓規(guī)格為M64×3 mm，中心帶孔，長度為410 mm，材料為20Cr1Mo1VnbTiB，工作溫度為535 ℃，斷裂位置位于一側(cè)螺紋第一牙處。

1 試驗檢驗

1.1 宏觀分析

1.1.1 宏觀檢驗

斷裂螺栓試樣斷面宏觀形貌如圖1 所示，可見斷面整體氧化及磨損較嚴(yán)重，并附著有熔化后的金屬液，上面密布的圓形凸起可能是由于拆卸斷裂螺栓時火花飛濺引起的。根據(jù)斷面形貌分布的情況，可將其分為A、B、C 三個區(qū)域。其中，A 區(qū)域呈流線型，有明顯的邊界，略凹陷于主斷面，推測為疲勞開裂起始區(qū)；B 區(qū)域較平坦，基本沒有起伏，分布有較多的沙灘狀條紋，并且垂直于疲勞擴(kuò)展方向分布，面積占比最大，應(yīng)為疲勞擴(kuò)展區(qū)；C區(qū)域有明顯撕裂棱，在與B 區(qū)交界處可見撕裂臺階，在斷面邊緣處伴有剪切唇形貌，整體走勢分布較陡，為最終快速破壞區(qū)。

圖1 螺栓斷面宏觀形貌

1.1.2 低倍檢驗

斷裂螺栓來樣外觀如圖2所示，斷裂部位為右側(cè)螺紋第一牙處。在靠近螺栓斷面處截取一段試樣進(jìn)行試驗分析。

圖2 斷裂位置和取樣位置

使用20%硝酸溶液浸蝕后，截面低倍組織形貌如圖3 所示?？梢娬麄€截面中心及邊緣均分布有異常粗大的晶粒組織，呈白亮色，如箭頭所指。根據(jù)DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定：如果低倍組織為混晶，當(dāng)宏觀粗晶或套晶的面積大于5%時，應(yīng)按照宏觀粗晶或套晶評定。圖3 所示為明顯的混晶結(jié)構(gòu)，而且宏觀粗晶或套晶的面積大于5%，所以按標(biāo)準(zhǔn)以宏觀粗晶或套晶對其進(jìn)行評定[1]。

圖3 截面低倍組織形貌（經(jīng)20%硝酸溶液浸蝕）

1.2 光譜分析

在來樣上截取試樣進(jìn)行光譜分析，結(jié)果見表1。對比DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中20Cr1Mo1VNbTiB 的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，該螺栓化學(xué)成分符合要求[1]。

表1 光譜分析試驗數(shù)據(jù) wt%

1.3 力學(xué)性能試驗

1.3.1 室溫沖擊試驗

在來樣1/2 半徑處取3 件縱向室溫沖擊試樣，開U 形缺口，對其進(jìn)行室溫沖擊試驗，試驗結(jié)果見表2。對比DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中20Cr1Mo1VNbTiB 的沖擊標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，材料的沖擊性能遠(yuǎn)低于要求值[1]。

表2 室溫沖擊試驗數(shù)據(jù)

1.3.2 布氏硬度檢測

在來樣心部進(jìn)行布氏硬度測試，測試結(jié)果見表3。對比DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中20Cr1Mo1VNbTiB 的布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，材料的布氏硬度值符合要求[1]。

表3 布氏硬度測試數(shù)據(jù)

1.4 金相檢測

標(biāo)準(zhǔn)要求在已經(jīng)進(jìn)行過低倍組織檢驗的端面上，選取有代表性的部位進(jìn)行微觀組織檢驗，外表面低倍形貌如圖4 所示，可見試樣外表面覆蓋有一層較均勻的氧化層，厚約0.2 mm，外表面較平整，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕或損傷痕跡。

圖4 外表面低倍形貌

觀察粗晶區(qū)組織，可以發(fā)現(xiàn)存在較多粗大晶粒（圖5），且晶粒晶界清晰，尺寸大于GB/T 6394—2017 規(guī)定的00 級。放大后可見其組織為貝氏體+鐵素體，粗大貝氏體呈交錯排列，中間夾雜部分鐵素體，為脆性組織（圖6）。不符合標(biāo)準(zhǔn)對于套晶的定義：低倍組織為宏觀粗晶，而實際晶粒大小為微觀細(xì)晶，即在一個宏觀粗晶中包含許多細(xì)小的晶粒。因此根據(jù)DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》，晶粒分級可評為非套晶結(jié)構(gòu)2 級，即宏觀粗晶。

圖5 粗晶區(qū)形貌（100×）

粗晶與細(xì)晶交界處形貌見圖7，可見圖片上半部分為粗晶區(qū)、下半部分為細(xì)晶區(qū)，二者界線明顯。

觀察細(xì)晶區(qū)組織，放大后組織形貌見圖8，組織為細(xì)晶狀貝氏體。根據(jù)DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》，晶粒分級可評為非套晶結(jié)構(gòu)5 級，即微觀細(xì)晶。

圖8 細(xì)晶區(qū)組織形貌（500×）

故材料不符合DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》的要求：組織不應(yīng)存在套晶結(jié)構(gòu)，非套晶結(jié)構(gòu)5 級合格[1-3]。

1.5 掃描電鏡分析

對斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，斷口起始區(qū)低倍形貌見圖9，其右下方為起始區(qū)，與左上方的擴(kuò)展區(qū)有明顯的界線，起始區(qū)靠近外表面處不太平整，顏色較深，為先期破壞長期氧化所致。斷口擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶見圖10，可見此處疲勞條帶平行分布，間距較均勻，處于快速擴(kuò)展階段，表明該斷口的破壞形式為交變載荷作用下的疲勞斷裂。

圖10 斷口擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶形貌（SEI）

1.6 試驗總結(jié)

由宏觀分析可知，螺栓整體存在混晶現(xiàn)象，其中，大多數(shù)為細(xì)晶區(qū)，少數(shù)粗晶區(qū)呈彌散分布；斷面起始于螺栓一側(cè)邊緣，呈疲勞破壞形態(tài)。根據(jù)化學(xué)分析的結(jié)果可知，材料符合20Cr1Mo1VNbTiB的成分要求。根據(jù)力學(xué)性能結(jié)果可知，材料的布氏硬度值數(shù)值符合要求值，而沖擊性能遠(yuǎn)低于要求值。根據(jù)金相分析的結(jié)果可知，材料的粗晶與細(xì)晶的晶粒度及組織差異很大，粗晶中的組織包含脆性相。由掃描電鏡分析結(jié)果可知，該斷口的破壞形式為交變載荷作用下的疲勞斷裂。

2 建議

對于20Cr1Mo1VNbTiB 的熱處理要求相對較高，一旦溫度及時間控制不當(dāng)，很容易產(chǎn)生局部大片粗晶，嚴(yán)重影響材料的韌性，極大地增加開裂的風(fēng)險。因此，對于該材料螺栓的質(zhì)量檢驗尤為重要，建議加強(qiáng)對同批次或相同位置螺栓的監(jiān)督和檢驗，至少抽取20%數(shù)量的螺栓進(jìn)行金相組織檢驗，在螺栓端面進(jìn)行晶粒度級別檢驗，不應(yīng)存在套晶，非套晶結(jié)構(gòu)應(yīng)為5 級。對于新螺栓，有條件的話可以進(jìn)行100%檢驗[1-3]。

3 結(jié)論

汽輪機(jī)主汽門雙頭螺栓在螺紋處存在的宏觀粗晶是引發(fā)其疲勞開裂的主要原因。在螺栓服役的過程中，第一牙的部位所受應(yīng)力最大，而由于此處分布的粗晶區(qū)韌性很差，會大大增加其開裂的風(fēng)險，并在交變載荷的作用下誘發(fā)疲勞擴(kuò)展，而心部存在的粗晶區(qū)也會加速疲勞擴(kuò)展的速度，最終造成螺栓的斷裂。