汽輪機高溫螺栓斷裂原因
2022-02-21 01:18:25
changyuan
隨著國(guo)內火力發電機(ji)(ji)組裝(zhuang)機(ji)(ji)容量和熱效(xiao)率的(de)(de)不斷提高(gao)，汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)的(de)(de)蒸汽(qi)(qi)壓力也(ye)越來越高(gao)，這對汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)高(gao)溫(wen)部件的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)性(xing)(xing)能也(ye)提出了更高(gao)的(de)(de)要求(qiu)。比如汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)上(shang)的(de)(de)高(gao)溫(wen)螺(luo)栓(shuan)(shuan)在(zai)保證(zheng)氣缸(gang)中分面的(de)(de)氣密性(xing)(xing)上(shang)發揮(hui)著重要的(de)(de)作用，高(gao)溫(wen)螺(luo)栓(shuan)(shuan)一般(ban)采用高(gao)溫(wen)性(xing)(xing)能優異的(de)(de)熱強(qiang)材(cai)(cai)料(liao)制造(zao)。20Cr1Mo1VNbTiB鋼為珠光體(ti)熱強(qiang)鋼，其具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)持久強(qiang)度(du)和較(jiao)好(hao)的(de)(de)抗松弛性(xing)(xing)能，常用于制造(zao)汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)的(de)(de)高(gao)溫(wen)螺(luo)栓(shuan)(shuan)。
某電(dian)廠(chang)的發電(dian)機組(zu)在運行(xing)過程中，其中聯(lian)門高(gao)溫螺栓發生(sheng)斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)失(shi)效(xiao)，該機組(zu)運行(xing)時長47341h，螺栓材料為20Cr1Mo1VNbTiB 鋼，螺栓規格為M56mm×4mm×310mm。來自湖南省湘電(dian)鍋(guo)爐壓力容(rong)器檢驗中心(xin)有限公司的陳亮(liang)平、何朋非和張仁魁三(san)位研究(jiu)人員對該斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)螺栓進(jin)行(xing)了(le)(le)一(yi)系列檢驗和分析(xi)，并(bing)選取另外一(yi)個同批(pi)次、同材料的未斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)螺栓進(jin)行(xing)對比，找出了(le)(le)該高(gao)溫螺栓的斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)原因，以期類似事(shi)故不再發生(sheng)。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
圖(tu)1 斷裂螺栓(shuan)的(de)宏觀形貌
圖2 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌
斷(duan)(duan)裂螺栓(shuan)的整體形貌(mao)和(he)斷(duan)(duan)面(mian)形貌(mao)如圖1和(he)圖2所示。可見(jian)斷(duan)(duan)裂部位在螺栓(shuan)桿部，斷(duan)(duan)口距端面(mian)約130mm。斷(duan)(duan)面(mian)平整，呈顆粒狀，無塑性變形，為(wei)典型的脆性斷(duan)(duan)口。觀察螺栓(shuan)外表面(mian)，可見(jian)螺紋表面(mian)光滑(hua)，無凹痕、裂紋、銹蝕(shi)、毛刺或其(qi)他引起應力集(ji)中的缺陷。
1.2 化學成分分析
在(zai)斷裂螺栓和對(dui)(dui)比(bi)螺栓的(de)(de)螺桿中部進(jin)行線切割(ge)取樣，將(jiang)切割(ge)面(mian)在(zai)砂紙(zhi)上(shang)磨平并用(yong)酒(jiu)精(jing)清洗后，采(cai)用(yong)全譜立式(shi)直(zhi)讀光譜儀對(dui)(dui)其(qi)進(jin)行化(hua)學(xue)成(cheng)(cheng)分(fen)分(fen)析，由實(shi)驗結(jie)果(guo)可(ke)見其(qi)化(hua)學(xue)成(cheng)(cheng)分(fen)符合DL/T 439—2018《火力發電(dian)廠高溫緊固件技術導則》對(dui)(dui)20Cr1Mo1VNbTiB鋼(gang)的(de)(de)成(cheng)(cheng)分(fen)要(yao)求(qiu)。
1.3 力學性能試驗
在斷(duan)裂螺栓(shuan)和未斷(duan)螺栓(shuan)上分別取硬度(du)(du)試樣(yang)、拉(la)伸(shen)試樣(yang)和U型缺口沖擊(ji)試樣(yang)，采用萬能材料(liao)試驗(yan)(yan)機(ji)對其(qi)進行室(shi)溫(wen)拉(la)伸(shen)試驗(yan)(yan)，測定其(qi)抗(kang)拉(la)強度(du)(du)、屈服(fu)強度(du)(du)和斷(duan)后伸(shen)長(chang)率，采用沖擊(ji)試驗(yan)(yan)機(ji)測定其(qi)室(shi)溫(wen)沖擊(ji)吸(xi)收(shou)能量(liang)，采用布氏(shi)硬度(du)(du)計(ji)測定其(qi)布氏(shi)硬度(du)(du)，試驗(yan)(yan)結果(guo)見表(biao)1。
表1 螺栓(shuan)的力(li)學性能試驗結(jie)果(guo)
結果表明，螺(luo)(luo)栓的硬度(du)、抗(kang)拉強(qiang)度(du)、屈服強(qiang)度(du)和斷后伸(shen)長率(lv)均符(fu)合標(biao)準(zhun)(zhun)要求，但是(shi)斷裂(lie)螺(luo)(luo)栓的沖(chong)擊吸收能量僅為25J，遠(yuan)低(di)于標(biao)準(zhun)(zhun)要求，表明斷裂(lie)螺(luo)(luo)栓材料(liao)的脆性大，抵抗(kang)沖(chong)擊載荷的能力低(di)。未斷裂(lie)螺(luo)(luo)栓的沖(chong)擊吸收能量為86J，符(fu)合標(biao)準(zhun)(zhun)要求。
1.4 宏觀組織檢驗(yan)
按(an)DL/T 439—2018推薦方法對斷(duan)(duan)裂螺栓(shuan)(shuan)和(he)未斷(duan)(duan)裂螺栓(shuan)(shuan)的(de)端面及斷(duan)(duan)裂螺栓(shuan)(shuan)斷(duan)(duan)口處橫截面進行宏觀組織檢(jian)驗，如(ru)圖(tu)3所示。
圖(tu)3 螺栓端(duan)面的宏(hong)觀(guan)形貌(mao)
在不同角度的(de)(de)光(guang)線下斷裂螺栓端(duan)面(mian)及(ji)斷口(kou)處橫截面(mian)均呈現出不同色澤與(yu)光(guang)亮度的(de)(de)多邊形顆粒斑塊(kuai)，肉眼可(ke)(ke)見粗大的(de)(de)晶粒，采用放大鏡觀(guan)察可(ke)(ke)知晶粒平均直(zhi)徑在2mm以上，即斷裂螺栓的(de)(de)組(zu)織由宏觀(guan)粗晶組(zu)成。
20Cr1Mo1VNbTiB鋼粗晶(jing)的形(xing)成與制造(zao)、熱(re)(re)處理等生產(chan)工(gong)藝有關(guan)，屬于過熱(re)(re)組織(zhi)。熱(re)(re)加(jia)工(gong)過程溫(wen)(wen)度達到Ac1（珠光體(ti)(ti)向(xiang)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)轉變的初(chu)始溫(wen)(wen)度）以上，或(huo)鋼材多次加(jia)熱(re)(re)至(zhi)奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)再結晶(jing)溫(wen)(wen)度以上后快速(su)冷卻就會形(xing)成粗晶(jing)。在長期高溫(wen)(wen)高壓(ya)環境(jing)下，過熱(re)(re)組織(zhi)中碳化物逐步析出，會使材料的沖擊韌性下降。
1.5 金相檢驗
在螺(luo)(luo)栓螺(luo)(luo)桿(gan)部位取(qu)樣進(jin)行金相檢驗(yan)，如圖(tu)4所示。
圖4 螺栓的顯微組織形貌
可見斷(duan)裂(lie)螺栓(shuan)(shuan)的顯微(wei)組織為(wei)(wei)貝(bei)(bei)氏體(ti)，晶(jing)(jing)粒(li)度級別為(wei)(wei)1級，晶(jing)(jing)內的排狀貝(bei)(bei)氏體(ti)交叉分布，呈框架狀結(jie)構。未斷(duan)螺栓(shuan)(shuan)的顯微(wei)組織為(wei)(wei)細晶(jing)(jing)狀貝(bei)(bei)氏體(ti)，晶(jing)(jing)粒(li)度級別為(wei)(wei)5級。金(jin)相檢驗結(jie)果表(biao)明斷(duan)裂(lie)螺栓(shuan)(shuan)的晶(jing)(jing)粒(li)度級別不(bu)符合(he)DL/T 439—2018《大力發電廠高(gao)溫緊固件(jian)技術導則(ze)》中晶(jing)(jing)粒(li)度級別為(wei)(wei)5級的要求。
1.6 斷口(kou)分(fen)析
采用掃描(miao)電(dian)鏡觀察(cha)斷裂螺栓(shuan)的(de)斷口形貌。
圖5 斷裂螺栓的斷口(kou)微觀形貌(mao)及能譜分(fen)析結果
斷(duan)口(kou)形(xing)貌如(ru)圖5a）所示，斷(duan)口(kou)表(biao)面(mian)已被致(zhi)(zhi)密氧(yang)(yang)化物完全覆蓋，通過(guo)能(neng)譜分(fen)析得知(zhi)該(gai)氧(yang)(yang)化物為Fe2O3，能(neng)譜（EDS譜）如(ru)圖5b）所示。由于斷(duan)裂螺栓在(zai)運行過(guo)程中斷(duan)裂，斷(duan)口(kou)長時間暴(bao)露在(zai)高溫環境下，致(zhi)(zhi)使(shi)斷(duan)口(kou)表(biao)面(mian)生(sheng)成致(zhi)(zhi)密的(de)氧(yang)(yang)化膜(mo)，因此(ci)螺栓的(de)斷(duan)裂信息(xi)很(hen)難從(cong)斷(duan)口(kou)上直接觀察。研究人(ren)員通過(guo)拉伸和沖擊試樣的(de)斷(duan)口(kou)來觀察材料(liao)的(de)斷(duan)口(kou)形(xing)貌，判斷(duan)螺栓的(de)斷(duan)裂模式。
圖(tu)6 拉伸和(he)沖擊試樣斷口微觀形貌
將拉伸(shen)(shen)和沖擊試樣(yang)的斷(duan)(duan)(duan)(duan)口(kou)置于掃描電鏡(jing)下(xia)(xia)觀(guan)察，拉伸(shen)(shen)和沖擊試樣(yang)斷(duan)(duan)(duan)(duan)口(kou)形貌(mao)(mao)如圖(tu)(tu)6所(suo)示。其(qi)中(zhong)圖(tu)(tu)6a）和圖(tu)(tu)6b）為(wei)(wei)低倍下(xia)(xia)的拉伸(shen)(shen)和沖擊斷(duan)(duan)(duan)(duan)口(kou)形貌(mao)(mao)，可見拉伸(shen)(shen)斷(duan)(duan)(duan)(duan)口(kou)斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)剪切唇區很小，約占斷(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)面(mian)(mian)積(ji)的15%，整個(ge)斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)以放射區為(wei)(wei)主，基(ji)本沒有(you)纖維區，通過斷(duan)(duan)(duan)(duan)口(kou)宏(hong)觀(guan)形貌(mao)(mao)判斷(duan)(duan)(duan)(duan)該材料(liao)的韌性很差。圖(tu)(tu)6c）為(wei)(wei)高(gao)(gao)倍觀(guan)察下(xia)(xia)的拉伸(shen)(shen)斷(duan)(duan)(duan)(duan)口(kou)形貌(mao)(mao)，斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)以解(jie)理(li)為(wei)(wei)主，少(shao)量韌窩夾(jia)雜其(qi)中(zhong)，整個(ge)斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)形貌(mao)(mao)符合準解(jie)理(li)斷(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)特征。圖(tu)(tu)6d）為(wei)(wei)高(gao)(gao)倍觀(guan)察下(xia)(xia)的沖擊斷(duan)(duan)(duan)(duan)口(kou)形貌(mao)(mao)，可見斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)基(ji)本為(wei)(wei)放射區，整個(ge)斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)大多為(wei)(wei)解(jie)理(li)面(mian)(mian)。圖(tu)(tu)6表明試樣(yang)斷(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)屬于解(jie)理(li)斷(duan)(duan)(duan)(duan)裂(lie)，說明材料(liao)脆(cui)性很大。
2 分析與(yu)討論
由以上理化(hua)檢驗結果(guo)可(ke)知，螺栓化(hua)學成分(fen)、室溫(wen)拉(la)伸(shen)性能(neng)(neng)、硬度等指標符合標準要(yao)(yao)求。斷(duan)裂(lie)(lie)螺栓組織(zhi)(zhi)晶粒粗大，晶粒度級別為1級，晶內交叉(cha)分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)排狀貝氏體(ti)呈框架狀結構，導(dao)致材(cai)料(liao)脆性很大；拉(la)伸(shen)和沖(chong)擊(ji)(ji)斷(duan)口(kou)的(de)(de)(de)斷(duan)裂(lie)(lie)特征表明材(cai)料(liao)為解(jie)理斷(duan)裂(lie)(lie)，加(jia)上沖(chong)擊(ji)(ji)吸收能(neng)(neng)量(liang)遠(yuan)低(di)于(yu)標準要(yao)(yao)求，再次證明材(cai)料(liao)脆性很大。汽輪(lun)機(ji)(ji)高(gao)溫(wen)螺栓在高(gao)溫(wen)、高(gao)應力、蒸汽腐(fu)蝕等復雜工(gong)況下工(gong)作，這要(yao)(yao)求螺栓材(cai)料(liao)具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)蠕(ru)變持久強度、較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)線膨脹系數、較(jiao)好的(de)(de)(de)抗(kang)(kang)松弛性能(neng)(neng)、良好的(de)(de)(de)抗(kang)(kang)應力腐(fu)蝕能(neng)(neng)力、較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)缺口(kou)敏(min)感(gan)性及較(jiao)好的(de)(de)(de)抗(kang)(kang)氧(yang)化(hua)性能(neng)(neng)。而該(gai)斷(duan)裂(lie)(lie)螺栓材(cai)料(liao)存在粗晶，因此(ci)其組織(zhi)(zhi)異(yi)常導(dao)致了材(cai)料(liao)脆性過(guo)大，不(bu)能(neng)(neng)承(cheng)受啟(qi)、停機(ji)(ji)及機(ji)(ji)組負荷波(bo)動帶來(lai)的(de)(de)(de)沖(chong)擊(ji)(ji)應力。
3 結論及建議(yi)
該汽輪機的(de)高溫(wen)螺栓的(de)晶粒較(jiao)粗大，且長期(qi)在高溫(wen)高壓(ya)環境下服役，造成碳化物逐步析出、材料沖(chong)擊(ji)韌性下降，在機組啟、停機及機組負(fu)荷波動帶來(lai)的(de)沖(chong)擊(ji)應力(li)下，該高溫(wen)螺栓發生(sheng)了脆性斷裂。
建議火電廠在(zai)進(jin)行機(ji)組(zu)檢修時，對汽輪機(ji)高(gao)溫螺栓(shuan)進(jin)行100%超聲檢驗(yan)、100%硬(ying)度檢驗(yan)，對超聲檢驗(yan)和硬(ying)度檢驗(yan)結果不合格(ge)的螺栓(shuan)，予以更換。