超超臨界機(jī)組In783合金螺栓早期斷裂原因及其應(yīng)用建議

王慶峰

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司 華北電力試驗(yàn)研究院, 北京 100040)

20世紀(jì)90年代,美國(guó)Special Metals公司開(kāi)發(fā)了第四代抗氧化低膨脹高溫合金Inconel alloy 783(簡(jiǎn)稱(chēng)In783),該合金為鎳鐵鈷基鐵磁性合金。與傳統(tǒng)低膨脹高溫合金比較,In783合金的居里溫度高,In783合金中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Cr元素,同時(shí)Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到了5%。第4代抗氧化低膨脹高溫合金In783不僅具有高溫環(huán)境下的抗氧化性和抗腐蝕性,還具有足夠高的強(qiáng)度和低膨脹系數(shù),在700 ℃環(huán)境下仍然具有低膨脹系數(shù)和良好的機(jī)械加工性能,被用于生產(chǎn)壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和排氣系統(tǒng)的安全殼和間隙控制元件,如密封環(huán)、隔熱環(huán)、機(jī)匣、密封墊等[1-3]。

近年來(lái),隨著超超臨界技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,德國(guó)西門(mén)子公司將In783合金用于600 ℃等級(jí)汽輪機(jī)的中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)節(jié)門(mén)的高溫緊固件等關(guān)鍵部件中,這是因?yàn)镮n783合金具有較好的抗氧化性能,以及具有和超超臨界機(jī)組典型9%～12% Cr馬氏體耐熱鋼缸體材料相匹配的膨脹系數(shù)。上海汽輪機(jī)廠也開(kāi)始采用In783合金,并于2006年首次將其應(yīng)用在我國(guó)首臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)節(jié)門(mén)的高溫螺栓上[4]。上海汽輪機(jī)廠可自主生產(chǎn)In783合金,目前該廠設(shè)計(jì)制造的超超臨界機(jī)組中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)節(jié)門(mén)螺栓同時(shí)采用了國(guó)產(chǎn)In783合金(國(guó)內(nèi)牌號(hào)GH6783)。隨著In783合金螺栓的廣泛應(yīng)用,In783合金螺栓出現(xiàn)大量早期斷裂的現(xiàn)象。除此之外,隨著清潔低碳高效發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,超超臨界機(jī)組將朝著更高參數(shù)的方向快速發(fā)展,高溫合金的使用比例將進(jìn)一步增加。

1 In783合金螺栓早期斷裂原因分析

1.1 早期斷裂案例

In783合金螺栓為高溫螺栓,在超超臨界汽輪機(jī)的中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)節(jié)門(mén)的使用過(guò)程中,In783螺栓出現(xiàn)了大量早期斷裂現(xiàn)象。如華能玉環(huán)電廠的1,2號(hào)機(jī)組上的螺栓為原裝進(jìn)口In783合金螺栓,3,4號(hào)機(jī)組為國(guó)產(chǎn)In783合金螺栓,在檢修過(guò)程中這些螺栓均出現(xiàn)斷裂情況:2014年2月,2號(hào)機(jī)組斷裂1根螺栓,運(yùn)行時(shí)間近8 a;2015年5月,4號(hào)機(jī)組斷裂或開(kāi)裂15根螺栓,運(yùn)行時(shí)間近8 a;2015年6月,1號(hào)機(jī)組斷裂或開(kāi)裂多根螺栓,運(yùn)行時(shí)間近9 a[4]。姜濤[5]等報(bào)道了某2×660 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)中壓調(diào)節(jié)門(mén)In783合金螺栓服役不到7個(gè)月,20根螺栓中有13根發(fā)生斷裂。謝澄[6]等報(bào)道了某超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)節(jié)門(mén)In783合金螺栓在檢修中斷裂3根,機(jī)組累計(jì)啟停12次,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間3.1萬(wàn)h;同廠另一臺(tái)同類(lèi)型機(jī)組經(jīng)過(guò)緊急檢修后啟機(jī)不久,發(fā)現(xiàn)其兩側(cè)主汽門(mén)和調(diào)節(jié)門(mén)共29根In783螺栓發(fā)生斷裂。

據(jù)統(tǒng)計(jì),浙江、江蘇等地24臺(tái)超超臨界機(jī)組的In783合金高溫螺栓中,中壓主汽門(mén)共159根螺栓斷裂,中壓調(diào)節(jié)門(mén)177根螺栓斷裂,其中安徽某電廠1臺(tái)機(jī)組中壓主汽門(mén)42根螺栓全部斷裂。In783合金螺栓的大量早期斷裂為超超臨界機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患。

1.2 早期斷裂特征

In783合金螺栓發(fā)生大量早期斷裂現(xiàn)象,這些螺栓在斷口形貌、斷裂機(jī)理、斷裂部位及運(yùn)行時(shí)間上存在一些共同的特征:① In783螺栓斷口典型宏觀形貌如圖1所示,從斷口形貌及斷裂機(jī)理上看,斷口無(wú)明顯塑性變形,有的呈現(xiàn)典型脆性斷裂特征,有的呈現(xiàn)疲勞斷裂特征,有的呈現(xiàn)脆性開(kāi)裂+撕裂特征,從微觀形貌上看,斷口呈沿晶脆性開(kāi)裂特征;② 斷裂部位主要有加熱孔底部退刀槽部位、螺栓腰部光桿部位、螺牙部位等;③ 隨著螺栓服役時(shí)間的延長(zhǎng),發(fā)生斷裂的螺栓數(shù)量明顯增加,運(yùn)行3～4萬(wàn)h后發(fā)生大量斷裂現(xiàn)象;國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口In783合金螺栓均呈現(xiàn)這種趨勢(shì),但進(jìn)口螺栓斷裂比例偏低,運(yùn)行時(shí)間也偏長(zhǎng)。

圖1 In783螺栓斷口典型宏觀形貌

1.3 早期斷裂原因分析

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的In783合金在650 ℃以下具有優(yōu)異的綜合性能,特別是較低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的抗蒸汽氧化性,但在實(shí)際服役過(guò)程中,In783合金螺栓卻出現(xiàn)了大量早期斷裂現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)眾多發(fā)電企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了不同方面的分析。綜合認(rèn)為,In783合金螺栓的斷裂與拆裝工藝不規(guī)范、制造質(zhì)量不良、材料服役后性能下降及負(fù)蠕變等因素有關(guān)。

1.3.1 拆裝工藝不規(guī)范

姜濤[5]等對(duì)某超超臨界660 MW汽輪機(jī)組的中壓調(diào)節(jié)門(mén)In783合金螺栓的斷裂現(xiàn)象進(jìn)行分析。在螺栓安裝過(guò)程中,加熱棒局部高溫導(dǎo)致3根螺栓孔內(nèi)壁材料燒損,裂紋萌生于內(nèi)孔燒損處,在正常服役條件下,裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。張守文[4]等也在斷裂的In783螺栓孔內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)電燒蝕坑,分析認(rèn)為螺栓熱緊時(shí)電加熱棒破損,燒損了螺栓中心孔并形成燒蝕坑,在高溫、高壓及振動(dòng)的工況下,燒蝕坑誘發(fā)了裂紋的萌生及擴(kuò)展,最終引起In783螺栓的沿晶脆性開(kāi)裂。

對(duì)于In783合金螺栓,廠家規(guī)定在熱緊時(shí)螺栓加熱溫度不允許超過(guò)600 ℃,并對(duì)電加熱設(shè)備的型號(hào)進(jìn)行了限定。如不嚴(yán)格按照廠家螺栓熱緊規(guī)范進(jìn)行操作,加熱棒的加熱溫度可能超過(guò)600 ℃,并造成螺栓中心孔局部出現(xiàn)燒損并產(chǎn)生裂紋源,裂紋萌生并發(fā)生擴(kuò)展,最終導(dǎo)致In783合金螺栓發(fā)生斷裂。目前,多個(gè)發(fā)電企業(yè)針對(duì)In783合金螺栓的熱緊工藝進(jìn)行優(yōu)化,包括加熱棒的選型與檢查、加熱溫度的限定與測(cè)量、螺栓孔冷卻后的清理與檢查等方面,從而避免熱緊過(guò)程中發(fā)生螺栓孔燒蝕現(xiàn)象[7-8]。發(fā)電企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行廠家的螺栓拆裝工藝規(guī)定,借鑒優(yōu)秀發(fā)電企業(yè)的拆裝工藝成功經(jīng)驗(yàn),從而避免In783合金螺栓因拆裝工藝不規(guī)范而出現(xiàn)早期斷裂。

1.3.2 制造質(zhì)量不良

楊超等[9]對(duì)某電廠1 000 MW超超臨界火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)中調(diào)節(jié)門(mén)In783合金螺栓斷裂原因進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂起源于中心孔壁,斷口以沿晶脆性斷裂形貌為主,斷裂性質(zhì)為應(yīng)力加速晶界氧化(SAGBO)脆性斷裂。SAGBO脆性斷裂的產(chǎn)生是由于氧原子在應(yīng)力的作用下更易沿晶界擴(kuò)散,偏聚在晶界處的氧原子使晶界發(fā)生氧化,從而降低了晶界強(qiáng)度,最后導(dǎo)致晶界脆化;當(dāng)局部晶界強(qiáng)度低于外加應(yīng)力時(shí),便會(huì)產(chǎn)生沿晶開(kāi)裂現(xiàn)象,最后導(dǎo)致In783合金螺栓發(fā)生沿晶氧化開(kāi)裂。在標(biāo)準(zhǔn)熱處理過(guò)程中,In783合金經(jīng)(843±8) ℃時(shí)效后,晶界處析出呈網(wǎng)狀分布的二次β相,從而使In783合金的SAGBO抗力顯著提高。在斷裂的In783合金螺栓顯微組織中,發(fā)現(xiàn)晶界處網(wǎng)狀二次β相不連續(xù)且含量偏低,說(shuō)明斷裂螺栓的β時(shí)效處理不規(guī)范,是導(dǎo)致In783合金螺栓發(fā)生SAGBO的主要原因。彭以超等[10]認(rèn)為斷裂螺栓In783合金固溶處理后的β時(shí)效處理不充分,導(dǎo)致合金中一次β相出現(xiàn)明顯偏析,呈條帶分布,且晶界處呈網(wǎng)狀分布的二次β相含量總體偏少。斷裂In783合金螺栓的疲勞裂紋基本沿晶擴(kuò)展,主要是由于應(yīng)力促進(jìn)晶界氧化導(dǎo)致疲勞裂紋沿著氧化損傷區(qū)擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展速率由晶界氧化速率控制,與時(shí)間具有一定的相關(guān)性,斷裂的In783螺栓抗應(yīng)力促進(jìn)晶界氧化能力差的主要原因?yàn)榫Ы缣幦狈Τ示W(wǎng)狀分布的二次β相。

In783合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝為:① (1 121±10) ℃/1 h/空冷(固溶處理);② (843±8) ℃/2～4 h/空冷(β時(shí)效);③ (718±8) ℃/8 h/爐冷55 ℃/h至(621±8) ℃/8 h/空冷(γ′時(shí)效)。高溫(1 121±10) ℃固溶處理,其目的是消除成分偏析,并溶解部分第二相,強(qiáng)化固溶體,并為后續(xù)時(shí)效做準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)(843±8) ℃時(shí)效后,二次β相在晶界處呈網(wǎng)狀分布,從而使In783合金的SAGBO抗力顯著提高。顆粒狀的一次β相和晶界處析出的網(wǎng)狀二次β相起到了明顯抑制晶粒長(zhǎng)大和強(qiáng)化晶界的作用。合金經(jīng)(843±8) ℃時(shí)效處理后,二次β相在晶界處呈網(wǎng)狀分布,同時(shí)在晶內(nèi)析出了較為粗大的γ′相。再經(jīng)過(guò)(718±8) ℃和(621±8) ℃兩段時(shí)效處理后,在上一級(jí)時(shí)效處理中,析出的部分粗大γ′相回溶,使粗大的γ′相含量降低,同時(shí)在合金基體中析出更為細(xì)小的γ′相。γ′相晶體結(jié)構(gòu)為Cu3Au型面心立方有序結(jié)構(gòu),Al原子位于角上,Ni原子位于面心;γ′相通常在基體中彌散均勻形核、共格析出,并且兩者點(diǎn)陣常數(shù)相近,因此錯(cuò)配度較小,具有界面能低而穩(wěn)定性高的特點(diǎn);同時(shí),γ′相本身具有很高的強(qiáng)度,并且在一定溫度范圍內(nèi),強(qiáng)度與溫度成正比,同時(shí)還具有一定的塑性,這些特點(diǎn)使得更為細(xì)小均勻彌散分布的γ′相對(duì)In783合金的強(qiáng)度起到了決定性作用[11]。賈新云等[12]研究了β時(shí)效對(duì)In783合金組織及性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,In783合金經(jīng)過(guò)β時(shí)效處理后,晶界上分布著鏈狀的二次β相,基體中分布著兩種尺寸的γ′相;未經(jīng)β時(shí)效處理的組織中只存在初生β相和一種尺寸的γ′相;從力學(xué)性能上看,經(jīng)過(guò)β時(shí)效處理In783合金的高溫拉伸強(qiáng)度、塑性和持久塑性明顯優(yōu)于未經(jīng)β時(shí)效處理的In783合金。由此可見(jiàn),β時(shí)效處理對(duì)In783合金組織的性能及In783螺栓的服役性能有著重要的影響。廠家應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行三級(jí)時(shí)效熱處理工藝,保證In783合金優(yōu)良的力學(xué)性能和SAGBO抗力,從而避免In783合金螺栓發(fā)生SAGBO脆性斷裂。

1.3.3 材料服役后性能下降

陶思友[13]采用未服役、服役1.3萬(wàn)h和服役3.9萬(wàn)h的In783合金螺栓,系統(tǒng)地研究了服役時(shí)間對(duì)In783合金螺栓組織及性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:In783合金螺栓在服役過(guò)程中,一次β相數(shù)量減少,二次β相數(shù)量增加,尺寸增大,連接形成“帶狀組織”,影響組織的連續(xù)性和均勻性。同時(shí),二次β相內(nèi)部析出了Ni5Al3相,破壞了二次β相原有的奧氏體結(jié)構(gòu)。這一變化導(dǎo)致二次β相帶來(lái)的SAGBO減弱,晶界腐蝕更易發(fā)生;另一方面,二次β相自身強(qiáng)度下降,顯微硬度分別降低了23 HV和33 HV,對(duì)In783合金螺栓晶界的強(qiáng)化效果減弱,導(dǎo)致合金高溫性能下降,延伸率分別降低了46.9%和49.3%。除此之外,合金的另外一個(gè)主要強(qiáng)化相γ′相在服役過(guò)程中持續(xù)粗化,從未服役時(shí)的53 nm到服役1.3萬(wàn)h的60 nm,再到服役3.9萬(wàn)h的74 nm,導(dǎo)致合金在600 ℃下屈服強(qiáng)度上升,分別提高了3.8%和9.1%。從性能變化規(guī)律上看,在服役過(guò)程中,隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),In783合金螺栓的屈服強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),分別提高了3.8%和9.1%;抗拉強(qiáng)度略有降低,延伸率呈下降趨勢(shì)。研究結(jié)果進(jìn)一步指出,In783合金螺栓在長(zhǎng)期的高溫環(huán)境下服役相當(dāng)于在應(yīng)力狀態(tài)下經(jīng)過(guò)了高溫時(shí)效,導(dǎo)致γ′相持續(xù)粗化,位錯(cuò)越過(guò)析出相所需的剪切力增大,宏觀表現(xiàn)為材料的屈服強(qiáng)度上升。但由于材料的延伸率下降,在高溫拉伸過(guò)程中,材料快速進(jìn)入斷裂階段,從而宏觀上表現(xiàn)為材料的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有隨著屈服強(qiáng)度的增大而增大,反而略有降低。高溫拉伸斷口形貌分析也表明,隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),In783合金螺栓在拉伸過(guò)程中進(jìn)入裂紋快速擴(kuò)展階段的時(shí)間越來(lái)越短,塑性變形階段越來(lái)越短,與力學(xué)性能結(jié)果相符。國(guó)內(nèi)眾多對(duì)In783合金螺栓開(kāi)裂的原因分析均表明[14-15],In783合金螺栓在600 ℃服役過(guò)程中因高溫及應(yīng)力狀態(tài)下的顯微組織發(fā)生變化,引起了螺栓力學(xué)性能的劣化,特別是塑性和韌性降低,增加了In783合金螺栓脆性開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在火電機(jī)組服役的過(guò)程中,螺栓部件由于受到較高的溫度、復(fù)雜的應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)的綜合影響,長(zhǎng)周期服役后會(huì)產(chǎn)生組織老化、性能劣化等變化,也是造成螺栓部件失效的重要原因之一。從以上案例可以看出,In783合金螺栓在服役狀態(tài)下的顯微組織發(fā)生變化,引起了材料性能劣化,特別是塑性和韌性降低。塑性和韌性降低意味著螺栓的承載能力下降,缺口敏感性增加,一旦萌生微裂紋,就可能導(dǎo)致螺栓的脆性斷裂。因此,發(fā)電企業(yè)應(yīng)對(duì)服役時(shí)間較長(zhǎng)的螺栓進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)存在組織老化、性能劣化或者存在缺陷的螺栓進(jìn)行更換處理。建議研究機(jī)構(gòu)針對(duì)In783合金螺栓服役狀態(tài)下組織性能的變化規(guī)律進(jìn)一步研究,建立組織變化與性能劣化的關(guān)系,科學(xué)評(píng)價(jià)服役后In783合金螺栓脆性開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn),并制定In783螺栓的更換與報(bào)廢準(zhǔn)則,從而防止運(yùn)行狀態(tài)下In783合金螺栓發(fā)生斷裂。

1.3.4 負(fù)蠕變

在高溫并受拉伸應(yīng)力的作用下,金屬材料會(huì)隨時(shí)間而逐漸伸長(zhǎng),稱(chēng)為高溫蠕變。如果與此相反,在一定條件下,材料在高溫和應(yīng)力作用下隨時(shí)間而逐漸縮短,稱(chēng)為負(fù)蠕變[16]。金屬材料的變形與外加載荷的方向相反,這與熱力學(xué)第一定律相矛盾。關(guān)于這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,目前普遍認(rèn)可的解釋是材料體系內(nèi)部能量的減少大于外部應(yīng)力產(chǎn)生的作用。許多學(xué)者對(duì)高溫合金中出現(xiàn)的負(fù)蠕變現(xiàn)象進(jìn)行了研究,包括高溫合金負(fù)蠕變產(chǎn)生的機(jī)制,建立負(fù)蠕變模型等。通常認(rèn)為材料的負(fù)蠕變與初始應(yīng)力大小、時(shí)間、化學(xué)成分、材料的熱處理等復(fù)雜的相互作用有關(guān)[17]。負(fù)蠕變的解釋模型主要有兩種[17]:一種是將負(fù)蠕變歸因于基體組織的有序化轉(zhuǎn)變,是否出現(xiàn)負(fù)蠕變?nèi)Q于有序化轉(zhuǎn)變引起的體積收縮與預(yù)載荷造成的變形量;另一種解釋認(rèn)為,由于材料組織的不穩(wěn)定,例如基體中析出第二相,使比容減小而引起收縮。按照這兩種模型,很多金屬都可能出現(xiàn)負(fù)蠕變現(xiàn)象,但蠕變抗力低的金屬在松弛曲線(xiàn)上不出現(xiàn)或者呈現(xiàn)很小的負(fù)蠕變,蠕變抗力越高的金屬負(fù)蠕變現(xiàn)象越強(qiáng)。

Special Metals公司SARWAN等對(duì)In783合金在593 ℃和704 ℃下的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)的In783合金在593 ℃下的等溫時(shí)效過(guò)程中出現(xiàn)了明顯收縮現(xiàn)象。并且在3次獨(dú)立試驗(yàn)過(guò)程中均出現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象。In783合金在593 ℃等溫時(shí)效200 h后出現(xiàn)了明顯收縮,當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到600 h后,收縮率達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定值0.02%,這可能與負(fù)蠕變現(xiàn)象相關(guān)。研究表明,對(duì)于一些高溫合金,負(fù)蠕變通常在高溫和低應(yīng)力條件下出現(xiàn)。許多鎳基高溫合金都存在負(fù)蠕變現(xiàn)象,如R26、Alloy617、Nimonic80A[18]、Nimonic90等。彭以超等[18]研究了負(fù)蠕變行為對(duì)Nimonic80A合金螺栓頻繁斷裂的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明Nimonic80A合金螺栓在長(zhǎng)期低于525 ℃的服役過(guò)程中,合金內(nèi)部發(fā)生Ni2Cr有序轉(zhuǎn)變,從而產(chǎn)生負(fù)蠕變,導(dǎo)致螺栓應(yīng)力增大,最終在螺紋應(yīng)力集中最大的局部區(qū)域產(chǎn)生過(guò)載開(kāi)裂,是Nimonic80A合金螺栓頻繁發(fā)生斷裂的關(guān)鍵原因。

SARWAN等的試驗(yàn)結(jié)果表明,In783合金在593 ℃下等溫時(shí)效200 h后出現(xiàn)了明顯收縮,即出現(xiàn)了負(fù)蠕變現(xiàn)象。In783合金螺栓在超超臨界機(jī)組上服役溫度為600 ℃,接近593 ℃。因此,In783合金螺栓在超超臨界機(jī)組中壓主汽門(mén)和調(diào)節(jié)門(mén)的應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)蠕變是具有一定可能性的。服役溫度下的負(fù)蠕變現(xiàn)象將使In783合金螺栓的工作應(yīng)力增加,特別是服役初期工作應(yīng)力增大,給服役狀態(tài)下的In783合金螺栓增加了不利因素。在謝澄[6]等關(guān)于In783螺栓的斷裂案例中,啟動(dòng)機(jī)器后不久便發(fā)現(xiàn)中壓主汽門(mén)閥蓋有蒸汽冒出,兩側(cè)主汽門(mén)和調(diào)節(jié)門(mén)共發(fā)現(xiàn)29根螺栓斷裂,這可能與In783螺栓的負(fù)蠕變現(xiàn)象直接相關(guān)。因此,在計(jì)算螺栓預(yù)緊力的過(guò)程中,應(yīng)高度重視并重點(diǎn)考慮負(fù)蠕變帶來(lái)的不利影響。

2 綜合分析

綜合分析認(rèn)為,超超臨界機(jī)組In783合金螺栓大量早期斷裂的原因與拆裝工藝不規(guī)范、螺栓制造質(zhì)量不良、材料服役后性能下降及負(fù)蠕變等諸多因素相關(guān)。在眾多因素中,拆裝工藝不規(guī)范和螺栓制造質(zhì)量不良可能會(huì)導(dǎo)致部分發(fā)電機(jī)組In783合金螺栓早期斷裂,而In783合金螺栓在整個(gè)超超臨界機(jī)組中出現(xiàn)大量早期斷裂可能與In783材料服役后性能下降及負(fù)蠕變的影響因素更為密切。程光坤等基于In783合金螺栓的冶煉技術(shù)、熱處理和安裝工藝的嚴(yán)格要求,認(rèn)為國(guó)內(nèi)工藝質(zhì)量和安裝質(zhì)量很難滿(mǎn)足要求,提出In783合金螺栓不適合作為中壓汽門(mén)螺栓材料使用的論點(diǎn),并提出采用1Cr11Co3W3NiMoVNbNB材料替代In783合金材料應(yīng)用于超超臨界機(jī)組中壓汽門(mén)螺栓的方案,并將該方案成功應(yīng)用于多臺(tái)發(fā)電機(jī)組。針對(duì)斷裂螺栓的栽絲端螺紋受力的1～3個(gè)螺牙之間發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象,結(jié)合理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,判斷In783合金螺栓斷裂是安裝緊力過(guò)大所致。并堅(jiān)持認(rèn)為In783合金螺栓在中壓汽門(mén)上的應(yīng)用是安全可靠的,在拆裝過(guò)程中,須嚴(yán)格按照廠家的操作規(guī)范和工具工裝執(zhí)行。

關(guān)于In783合金螺栓大量早期斷裂的原因仍需進(jìn)一步研究,特別是針對(duì)In783合金材料服役后性能下降及負(fù)蠕變影響因素的研究,以推進(jìn)In783合金及其他高溫合金在高參數(shù)超超臨界機(jī)組上的進(jìn)一步應(yīng)用。

3 總結(jié)與建議

In783合金中鋁元素含量較高、鉻無(wú)素含量較低,使該合金同時(shí)具備了較強(qiáng)的抗氧化性能和較小的熱膨脹系數(shù),最終使該合金在600～800 ℃具有良好的綜合性能。然而,在實(shí)際服役過(guò)程中,In783合金螺栓出現(xiàn)了大量早期斷裂現(xiàn)象。綜合分析認(rèn)為,In783合金螺栓的斷裂與拆裝工藝不規(guī)范、制造質(zhì)量不良、材料服役后性能下降和負(fù)蠕變等諸多因素相關(guān)?；谟懻摻Y(jié)果,針對(duì)In783合金螺栓的進(jìn)一步應(yīng)用提出以下建議。

(1) 螺栓拆裝工藝嚴(yán)格按照制造廠的操作規(guī)范和工具工裝執(zhí)行,避免螺栓中心孔燒蝕和安裝緊力過(guò)大。

(2) 嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝對(duì)螺栓進(jìn)行熱處理,保證β時(shí)效效果,提高SAGBO抗力。

(3) 對(duì)服役時(shí)間較長(zhǎng)的螺栓進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)于存在組織老化、性能劣化或者存在缺陷的螺栓進(jìn)行更換處理。

(4) 在計(jì)算螺栓預(yù)緊力的過(guò)程中,應(yīng)高度重視并重點(diǎn)考慮負(fù)蠕變帶來(lái)的不利影響。

超超臨界火電機(jī)組正向著更高參數(shù)的方向發(fā)展,高溫合金應(yīng)用于高參數(shù)超超臨界火電機(jī)組成為一種必然趨勢(shì)。為了進(jìn)一步推進(jìn)高溫合金在高參數(shù)超超臨界機(jī)組上的應(yīng)用,針對(duì)高溫合金在服役過(guò)程中組織性能的變化規(guī)律和負(fù)蠕變的研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。