汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸螺栓斷裂分析及監(jiān)督探討

程 翔, 張 潔, 金莎莎, 潘英峰

(1. 安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司,合肥 230601;2. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院,合肥 230601)

汽輪機(jī)的安全運(yùn)行影響著機(jī)組的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸的部件受高溫高壓蒸汽的影響較大,特別是高壓內(nèi)缸螺栓。因此,為保證汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,不僅需要保證高壓內(nèi)缸的緊固性和密封性,而且需要保證其在高溫、高壓條件下不易發(fā)生斷裂[1]。火電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,汽輪機(jī)高溫螺栓的斷裂事件發(fā)生得較頻繁,給金屬的監(jiān)督工作和汽輪機(jī)設(shè)備的維護(hù)帶來(lái)了很多的不便[2-4]。20Cr1Mo1VNbTiB鋼作為國(guó)產(chǎn)高溫螺栓用鋼,具有良好的綜合力學(xué)性能,在汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸螺栓上有很好的應(yīng)用,但是其也存在斷裂失效的情況[5-7]。因此,對(duì)20Cr1Mo1VNbTiB鋼制高壓內(nèi)缸螺栓斷裂失效原因進(jìn)行研究和分析,有利于找到有效的方法預(yù)防同類型事故的發(fā)生,從而更好地進(jìn)行金屬監(jiān)督和設(shè)備維護(hù)的工作。

某300 MW機(jī)組在無(wú)損檢測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高壓內(nèi)缸螺栓存在斷裂的情況,通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、宏觀檢查、化學(xué)成分分析、微觀組織分析、硬度檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)等方法對(duì)部分20Cr1Mo1VNbTiB鋼制高壓內(nèi)缸螺栓通的斷裂原因進(jìn)行分析和研究,并且給出了相關(guān)監(jiān)督檢驗(yàn)的建議。

1 試驗(yàn)分析

1.1 無(wú)損檢測(cè)

在汽輪機(jī)B修期間,受檢修工期的影響,對(duì)高壓內(nèi)缸螺栓(中心通孔螺栓)不進(jìn)行拆卸處理。此時(shí),高壓內(nèi)缸螺栓處于拉應(yīng)力狀態(tài)。采用型號(hào)為XLLV A84100的內(nèi)窺鏡通過(guò)螺栓中心加熱孔對(duì)螺栓內(nèi)部進(jìn)行宏觀檢查,檢查發(fā)現(xiàn)一處螺栓(編號(hào)為A13)存在斷裂的情況。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[8]采用直探頭縱波法進(jìn)行超聲波檢測(cè),即采用HS700型超聲波探傷儀(2.5 MHz/Φ14型超聲波探頭),將LS-1試塊(超聲波標(biāo)準(zhǔn)試塊)上與被檢螺栓最遠(yuǎn)端螺紋距離相近的橫孔(1 mm直徑)最高反射波,調(diào)整至80%屏高作為基準(zhǔn)靈敏度,并且在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上增益12 dB作為檢測(cè)靈敏度。檢測(cè)時(shí),將探頭置于螺栓端面上進(jìn)行掃查,掃查時(shí)注意探頭移動(dòng)的間距應(yīng)小于探頭半徑,同時(shí)探頭要在端面范圍內(nèi)檢測(cè)。

缺陷測(cè)量方面,采用6 dB法測(cè)定缺陷指示長(zhǎng)度。首先,通過(guò)移動(dòng)探頭找到缺陷最高反射波,按下“波峰記憶”按鈕后按“自動(dòng)增益“按鈕,將波高調(diào)整到80%屏高;其次,向左移動(dòng)探頭,當(dāng)波高降到40%屏高時(shí),在探頭中心線部位進(jìn)行標(biāo)記(記為標(biāo)記a);最后,向右移動(dòng)探頭,當(dāng)波高降到40%屏高時(shí)在探頭中心線部位進(jìn)行標(biāo)記(記為標(biāo)記b)。標(biāo)記a和標(biāo)記b之間的直徑距離即為缺陷的指示長(zhǎng)度[8]。從檢測(cè)結(jié)果上來(lái)看,在A13螺栓(規(guī)格為M152×1 135 mm)上沿第一絲牙斷裂處的缺陷反射信號(hào)最強(qiáng)烈(反射波最高),并且整個(gè)截面均有缺陷反射信號(hào)。因此,推測(cè)該處斷裂長(zhǎng)度橫穿螺栓,而高壓內(nèi)缸其他螺栓未發(fā)現(xiàn)可記錄的缺陷反射信號(hào),判斷其他螺栓檢測(cè)合格。

1.2 宏觀檢查

對(duì)高壓內(nèi)缸斷裂螺栓進(jìn)行拆卸,拆開(kāi)后檢查發(fā)現(xiàn)斷裂部位位于近螺桿側(cè)第一絲牙處,該處也是整根螺栓的應(yīng)力最大處。圖1為斷裂螺栓的斷口(見(jiàn)圖1(a))及起裂點(diǎn)部位(見(jiàn)圖1(b))的宏觀圖片。

圖1 斷裂螺栓的斷口及起裂點(diǎn)的宏觀圖片

從圖1中可以看出:該螺栓沿第一絲牙呈整面斷開(kāi),斷口呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征,斷口表面呈現(xiàn)紅褐色,有一定程度的氧化及傷痕,表明螺栓已斷裂較長(zhǎng)時(shí)間?；谕C(jī)時(shí)間進(jìn)行分析,該高壓內(nèi)缸螺栓是在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂的,斷裂的起裂點(diǎn)位于螺栓一側(cè)的表面層。在交變載荷的作用下,起裂點(diǎn)部位形成微裂紋,微裂紋形成后進(jìn)入到裂紋擴(kuò)展階段,其中裂紋總是沿著最大剪切應(yīng)力的滑移平面向前擴(kuò)展,裂紋的擴(kuò)展方向與拉應(yīng)力方向垂直,裂紋擴(kuò)展后,螺栓截面出現(xiàn)裂縫,當(dāng)剩余未斷截面不足以承受載荷時(shí),會(huì)發(fā)生斷裂[4]。同時(shí),裂紋的萌生和擴(kuò)展是在漫長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的。

1.3 化學(xué)成分分析

斷裂的高壓內(nèi)缸螺栓所用材料為20Cr1Mo1VNbTiB,用全定量光譜儀對(duì)斷裂螺栓、合格螺栓和新?lián)Q備品螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)分析,檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,所測(cè)螺栓的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)[9]中對(duì)20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)的要求。

表1 各螺栓的化學(xué)成分

1.4 微觀組織分析

20Cr1Mo1VNbTiB鋼為貝氏體耐熱鋼[9],在斷裂螺栓的起裂點(diǎn)處截取2個(gè)金相試樣(記為A1和A2試樣),分別對(duì)其進(jìn)行磨制和拋光處理。先在拋光態(tài)下將其置于金相顯微鏡下觀察,之后采用三氯化鐵鹽酸水溶液進(jìn)行表面腐蝕處理,并且在顯微鏡下觀察試樣的金相組織。A1和A2試樣的拋光態(tài)照片和金相組織照片分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 A1和A2試樣拋光態(tài)下照片

圖3 A1和A2試樣的金相組織照片

從圖2可以看出:在拋光態(tài)下,螺栓的低倍組織中存在一定量的夾雜物,其中在A1試樣上發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物缺陷,缺陷的最大尺寸達(dá)到177 μm。夾雜物等級(jí)超出了標(biāo)準(zhǔn)[9]中對(duì)于20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)非金屬夾雜物的規(guī)定,A2試樣上也有一定量的夾雜物缺陷。

從圖3可以看出:A1和A2試樣的金相組織均為回火索氏體組織,同時(shí)晶界上及基體中均存在析出的顆粒狀碳化物。

1.5 硬度檢驗(yàn)

分別對(duì)A1試樣、A2試樣和螺栓的不同部位進(jìn)行硬度試驗(yàn)[10],試驗(yàn)的加載力為1 837.5 N,保持時(shí)間為15 s,每個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)3次,結(jié)果取平均值,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出:所測(cè)試樣的硬度均在標(biāo)準(zhǔn)[9]中對(duì)該材質(zhì)螺栓規(guī)定的硬度范圍內(nèi),但是A1試樣、A2試樣的硬度較高,接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值;同時(shí),發(fā)現(xiàn)沿外壁向內(nèi)壁的方向,硬度呈遞減的趨勢(shì),但是硬度相差不大。

表2 試樣的布氏硬度

1.6 力學(xué)性能檢驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)[11]要求沿螺栓縱向制備3件標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(均為圓形橫截面的R4/d0=10型加工試樣),進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果取平均值。同時(shí),按標(biāo)準(zhǔn)[12]要求沿螺栓縱向制備3件標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣(均為V形缺口試樣,試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm),進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn),結(jié)果取平均值。拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出:該螺栓的抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率等參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)[9]的要求。但是,螺栓在室溫下的沖擊吸收能量為34.6 J,低于標(biāo)準(zhǔn)[9]中對(duì)該材質(zhì)螺栓規(guī)定的下限值(39 J)。

表3 試樣的室溫拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果及討論

該高壓內(nèi)缸螺栓沿第一絲牙處斷裂,斷口形態(tài)為脆性斷裂,金相組織為回火索氏體,同時(shí)在起裂點(diǎn)部位存在尺寸達(dá)到177 μm的大顆粒夾雜物。晶界上及基體中顆粒狀碳化物的析出表明螺栓的材料組織出現(xiàn)一定程度的老化;螺栓的硬度雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求,但是已接近規(guī)定的上限值;螺栓的抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但是沖擊吸收能量不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,這是因?yàn)槁菟ńM織存在一定程度的老化及碳化物的析出,從而導(dǎo)致材料沖擊韌性的降低。因?yàn)槁菟ǖ膽?yīng)力分布是不均勻的,并且在第1～3圈螺紋處所承受的載荷最大,所以該部位發(fā)生斷裂的可能性也最高[4,13]。

從斷口形貌進(jìn)行分析,該螺栓斷裂屬于拉伸疲勞斷裂;從材料組織進(jìn)行分析,螺栓的材料組織包含原始的大顆粒夾雜物缺陷,同時(shí)在高溫狀態(tài)下,內(nèi)部的滲碳體和碳化物脫碳分解,強(qiáng)化合金元素向晶界聚集碳化,形成脆性相。在交變載荷的長(zhǎng)期作用下,起裂點(diǎn)部位的螺栓近表面的裂紋萌生并沿晶界擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生瞬時(shí)斷裂[14]。

3 螺栓監(jiān)督檢驗(yàn)建議

針對(duì)該20Cr1Mo1VNbTiB鋼制高壓內(nèi)缸螺栓出現(xiàn)失效的情況,分析得出螺栓本身包含原始的大顆粒夾雜物缺陷,屬于材質(zhì)本身問(wèn)題(屬于貨驗(yàn)收檢測(cè)范疇)。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,螺栓內(nèi)部形成脆性相,同時(shí)組織存在一定程度的老化(屬于運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)督檢測(cè)范疇)?；谏鲜銮闆r,依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,需要對(duì)其監(jiān)督檢驗(yàn)工作提出相應(yīng)的建議,以提高螺栓的使用壽命。

3.1 技術(shù)檔案管理方面

應(yīng)重視螺栓的技術(shù)檔案管理方面的工作,可以從以下幾個(gè)方面[15]加強(qiáng)對(duì)20Cr1MoVNbTiB鋼制螺栓的技術(shù)檔案管理工作:

(1) 對(duì)于備品螺栓(或新購(gòu)螺栓),應(yīng)做好螺栓的產(chǎn)品質(zhì)量書(包括螺栓的原始幾何尺寸、螺紋表面質(zhì)量、螺栓的強(qiáng)度計(jì)算值、預(yù)緊力值和緊固工藝等)及相關(guān)檢測(cè)資料和記錄(包括化學(xué)成分分析、無(wú)損檢測(cè)、硬度試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等)的收集整理等相關(guān)管理工作。

(2) 對(duì)于運(yùn)行中的螺栓,應(yīng)做好螺栓的蠕變測(cè)量值、機(jī)組啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄和統(tǒng)計(jì)工作,同時(shí)應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)A修時(shí)的螺栓無(wú)損檢測(cè)、硬度檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與整理。值得注意的是,需要對(duì)比螺栓硬度和金相組織的變化情況,同時(shí)也需要對(duì)螺栓在緊固、拆卸、加熱、檢修、更換和解剖試驗(yàn)過(guò)程中的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(3) 對(duì)于已失效的螺栓,應(yīng)做好其斷裂失效,以及運(yùn)行工況、裝配工藝和結(jié)構(gòu)因素影響的分析報(bào)告的統(tǒng)計(jì)與整理工作,并且制定相應(yīng)的防失效措施。

3.2 螺栓投運(yùn)前的監(jiān)督檢驗(yàn)

在螺栓投運(yùn)前應(yīng)做好相應(yīng)的到貨驗(yàn)收檢驗(yàn)工作,主要涉及以下幾個(gè)方面[15]:

(1) 應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸、表面粗糙度和表面質(zhì)量等方面的檢查。

(2) 對(duì)螺栓及其對(duì)應(yīng)螺母進(jìn)行100%光譜檢驗(yàn)、100%硬度檢驗(yàn)、100%超聲波檢測(cè)、金相組織抽檢(抽檢要求為每種材料及規(guī)格的螺栓抽檢數(shù)量不應(yīng)少于1件)。

(3) 應(yīng)抽檢螺栓端面的晶粒級(jí)別。

3.3 螺栓投運(yùn)后的監(jiān)督檢驗(yàn)

螺栓投運(yùn)后,應(yīng)進(jìn)行如下監(jiān)督檢驗(yàn)[15-16]:

(1) 汽輪機(jī)A修時(shí),應(yīng)進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)、100%硬度檢驗(yàn)和20%金相組織抽查,對(duì)于硬度高于標(biāo)準(zhǔn)值的螺栓進(jìn)行金相檢查并將其更換為新的螺栓,也應(yīng)立即更換組織晶粒度高于5級(jí)的螺栓。

(2) 對(duì)螺栓的蠕變情況進(jìn)行監(jiān)督,主要進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量,并且計(jì)算蠕變變形量。

(3) 檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的螺栓時(shí),應(yīng)予以復(fù)核,同時(shí)擴(kuò)大其檢查比例。應(yīng)及時(shí)更換不合格螺栓。

(4) 使用內(nèi)窺鏡對(duì)螺栓中心孔進(jìn)行宏觀檢查,檢查中心孔內(nèi)壁是否存在過(guò)熱和燒傷痕跡。

3.4 螺栓的緊固與拆卸監(jiān)督

采用正確的方式緊固和拆卸螺栓是一項(xiàng)保證螺栓壽命的不容忽視的工作,對(duì)于高壓內(nèi)缸20Cr1Mo1VNbTiB鋼制螺栓,在緊固和拆卸過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行如下監(jiān)督工作[15]:

(1) 在螺栓的緊固與拆卸過(guò)程中,應(yīng)注意防止使用過(guò)大的沖擊力(嚴(yán)禁盲力緊固與拆卸),同時(shí)應(yīng)保證螺栓和螺紋表面光滑,不應(yīng)出現(xiàn)凹痕等會(huì)引起應(yīng)力集中的缺陷。

(2) 在螺栓的緊固和安裝過(guò)程中,應(yīng)按照汽輪機(jī)制造廠提供的螺栓緊固說(shuō)明書執(zhí)行。

(3) 拆卸高壓內(nèi)缸螺栓時(shí),應(yīng)等到調(diào)節(jié)級(jí)處壁溫降到80 ℃以下時(shí)再進(jìn)行拆卸,避免在高溫狀態(tài)下進(jìn)行拆卸。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸20Cr1MoVNbTiB鋼制螺栓失效的原因進(jìn)行分析與討論,本次螺栓本身包含原始的大顆粒夾雜物缺陷,同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中材料組織老化,組織內(nèi)部存在脆性相等原因,最終導(dǎo)致螺栓在應(yīng)力集中部位發(fā)生斷裂。螺栓斷裂不僅與材質(zhì)本身的質(zhì)量問(wèn)題有關(guān),而且與運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的組織老化問(wèn)題有關(guān)。分析結(jié)果為后續(xù)電廠螺栓監(jiān)督檢驗(yàn)工作提供了案例參考,同時(shí)對(duì)部件的到貨質(zhì)量監(jiān)督和運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)督檢測(cè)工作提出了更高要求。

基于螺栓失效的分析,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)從技術(shù)檔案管理、螺栓投運(yùn)前、螺栓投運(yùn)后、螺栓緊固與拆卸等方面總結(jié)并梳理螺栓的監(jiān)督檢驗(yàn)工作。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)螺栓的全過(guò)程監(jiān)督管理,可以更好地進(jìn)行電廠金屬監(jiān)督和設(shè)備的維護(hù)工作,進(jìn)而有效地預(yù)防同類型事故的發(fā)生。