摘 要:某火力發電廠汽輪機用２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高溫緊固螺栓在安裝時發生斷裂.通過 宏觀檢驗、化學成分分析、金相檢驗、斷口分析、力學性能測試等方法對螺栓斷裂的原因進行了分 析.結果表明:高溫緊固螺栓材料的冶煉工藝中由于化學元素含量控制不當,導致碳含量嚴重超 標,造成螺栓的沖擊吸收能量及塑性下降,最終促使螺栓發生斷裂.
關鍵詞:２０Cr１Mo１VTiB鋼;高溫緊固螺栓;斷裂;化學成分;力學性能
中圖分類號:TG１４２．７３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８０４Ｇ０４
高溫緊固螺栓作為火力發電機組的重要連接部 件,一旦發生斷裂將導致發電機組的運行故障,特別 是用于汽輪機的高溫緊固螺栓的斷裂將會造成設備 損壞甚至人身傷亡事故,關系到整個機組的安全運 行.高溫緊固螺栓作為火力發電廠汽輪機的重要零 部件之一,在保證高中壓外缸密封面的密封性上發 揮著重要的作用[１Ｇ３].目前高溫緊固螺栓的材料主 要為低合金鋼、１２％ 鉻鐵素體不銹鋼、高溫合金鋼 等,隨著越來越多的超臨界機組投入運行,在高溫、 高壓、高應力及蒸汽氧化腐蝕的工況條件下,機組對 高溫緊固螺栓的要求更加苛刻,通常要求其具有良 好的 強 度 和 塑 形 以 及 較 小 的 蠕 變 缺 口 敏 感 性. ２０Cr１Mo１VTiB 鋼作為一種新型的貝氏體高溫熱 強鋼,具有良好的持久強度、優異的抗松弛性能、出 色的持久塑性、較小的熱脆性傾向和較低的缺口敏 感性,可以滿足超臨界機組對高溫高壓的要求[４Ｇ７]. 但是目前國內外火電機組的安全事故數據表明,服 役的２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高溫緊固螺栓經常在安 裝和拆卸時發生斷裂,造成安全事故甚至人員傷亡. 某火力發電廠汽輪機使用的鍋爐側和汽輪機側的 ２０Cr１Mo１VTiB鋼制高溫緊固螺栓(以下簡稱為爐 側螺栓和機側螺栓)在安裝時發生斷裂,規格均為 M３３mm×２７３mm.為查明２０Cr１Mo１VTiB鋼制 高溫緊固螺栓發生斷裂的原因,以便采取措施避免類似失效再次發生,筆者對斷裂的螺栓進行了檢驗 和分析,并提出了可行的預防措施.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢驗
采用放大鏡對斷裂的爐側螺栓和機側螺栓的進 行宏觀檢驗.由圖１可見,兩根螺栓的斷面形貌相 似,斷面整體較平整,斷裂均發生在牙底處,距光桿 約兩個螺紋,斷口與法蘭結合面平齊.兩根螺栓的 斷裂機理相同,均呈現疲勞斷裂的特征[８].斷面存 在裂紋源區、擴展區和瞬斷區,在裂紋源區呈現出凹 凸面,存在明顯缺口.
１．２ 化學成分分析
采用SpectroＧTEST 型固定式全定量光譜儀對 斷 裂的爐側螺栓和機側螺栓的化學成分進行分析,結果如表１所示.可見斷裂螺栓中除了碳元素含量 超過 GB/T２０４１０－２００６«渦輪機高溫螺栓用鋼»對 ２０Cr１Mo１VTiB鋼制螺栓的成分要求范圍,其他元 素含量均符合該標準要求.
１．３ 金相檢驗
在爐側螺栓和機側螺栓的腰部取金相試樣,試 樣經１２０ 號 砂 紙 粗 磨,再 依 次 使 用 ２８０,４００,６００, ８００號SiC砂紙打磨后,采用 MPＧ１型金相試樣磨拋 機進行拋光.拋光后的試樣用無水乙醇超聲清洗. 采用 AxioObserver型研究級倒置式金相顯微鏡分 別觀察機側螺栓和爐側螺栓拋光態試樣的顯微組織 形貌,如圖２a)和圖２b)所示.根據 GB/T１０５６１－ ２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級»,機 側和爐側螺栓中夾雜物含量等級分別在粗２．５級和 細２．５級以上,不符合 GB/T２０４１０－２００６關于夾 雜物含量不超過２．０級的規定.
采用體積分數為４％的 硝 酸 酒 精 溶 液 對 爐 側 螺栓和機側 螺 栓 的 拋 光 態 試 樣 進 行 浸 蝕 后,采 用 AxioObserver型研究級倒置式金相顯微鏡分別觀 察機側螺栓和爐側螺栓浸蝕態試樣的顯微組織形 貌,由圖２c)和圖２d)可見,兩根螺栓的顯微組織均 為回火貝氏 體,爐 側 螺 栓 組 織 中 有 相 對 較 多 的 大 顆粒夾雜物 分 布,機 側 螺 栓 組 織 中 大 顆 粒 夾 雜 物 聚集 分 布,兩 根 螺 栓 的 晶 粒 度 均 為 ３ 級,小 于 DL/T４３９－２０１８«火力發電廠高溫緊固件技術導 則»中規定 ２０Cr１Mo１VTiB 鋼 制 螺 栓 的 晶 粒 度 大于５級的要求.
１．４ 斷口分析
由于機側螺栓和爐側螺栓的斷裂機理相同,選 取爐側螺栓采用JSMＧ６４９０型掃描電鏡對其斷口進 行形貌觀察.由圖３可見,裂紋源區較平整,沒有明 顯韌窩,呈現出疲勞斷裂的特征;擴展區存在明顯的 河流花樣和疲勞弧線,有較多的撕裂紋出現,呈現出 解理斷裂的形貌;瞬斷區呈現出韌窩形貌.
１．５ 力學性能測試
根據 GB/T２３１．１－２０１８«金屬材料 布氏硬度 試驗 第１部分:試驗方法»,采用 HBEＧ３０００A 型布 氏硬度計對機側螺栓和爐側螺栓表面進行硬度測 試,載荷為１．８３kN(１８７．５kgf),加載時間為１５s,硬 質合金球直徑為２．５mm.測得機側螺栓和爐側螺 栓 的 硬 度 分 別 為 ２８９ HBW 和 ２８６HBW, DL/T４３９－２０１８標準中對２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高 溫緊固螺栓硬度的要求為２５５~２９３ HBW,機側螺 栓和爐 側 螺 栓 的 布 氏 硬 度 接 近 標 準 規 定 范 圍 的 上限.
根據 GB/T２２９－２００７«金屬材料 夏比擺錘沖 擊試驗方法»,沿機側螺栓和爐側螺栓圓心處縱向采 用 線切割的方式制備標準沖擊試樣,采用JBＧ３００C型沖擊試驗機測試試樣的沖擊性能,載荷為３００N. 由測試結果可知機側螺栓和爐側螺栓的沖擊吸收能 量平均值分別為１８J和 １４J,DL/T４３９－２０１８標 準中對２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高溫緊固螺栓沖擊吸 收能量的要求為不小于３９J,機側螺栓和爐側螺栓 的沖擊吸收能量低于標準值的要求.
２ 分析與討論
由化學成分分析結果可知,斷裂的機側螺栓和 爐側螺栓中碳含量均超標.碳含量高的鋼材易發生 斷裂.通常增加碳含量會提高鋼材的抗拉強度,但 是隨之就會析出鐵碳化物[９Ｇ１０].碳含量越高,材料 抗應力腐蝕開裂性能會降低,并與碳化物的體積分 數成正比,鋼材內部析出碳化物后,電化學腐蝕環境 以及外力反復作用使材料發生斷裂.
由金相檢驗結果可知,機側螺栓和爐側螺栓夾 雜物含量等級均超過了 GB/T２０４１０－２００６標準關 于夾雜物含量不超過２．０級的規定.機側螺栓和爐 側螺栓組織為回火貝氏體,其中有相對較多的碳化 物顆粒 分 布,晶 粒 度 為 ３ 級,均 小 于 DL/T４３９－ ２０１８中規定２０Cr１Mo１VTiB 鋼制螺栓的晶粒度大 于５級的要求.夾雜物含量超標說明在材料的冶煉 工藝中化學元素含量控制不當,造成夾雜物過大而 割裂基體.結合上述化學成分分析結果可知,夾雜 物為碳化物[１１].在高溫服役的環境中需要較大的 晶粒度,以降低高溫蠕變的傾向(高溫蠕變是材料在高溫下服役時,尤其是在恒溫、恒載荷作用下緩慢產 生的變形,這種變形最終將導致材料斷裂).
從斷口形貌分析來看,由于疲勞斷裂對表面缺 陷非常敏感,因此疲勞源往往都在金屬的表面,斷裂 螺栓的裂紋源區有明顯受力造成的缺口,在反復受 力的情況下出現了疲勞源,進而向瞬斷區擴展形成 斷裂.疲勞裂紋擴展區是疲勞裂紋的亞臨界擴展 區,是疲勞斷口上最重要的特征區域,該區域形態多 種多樣,可以是光滑的或者瓷狀,可以有疲勞弧線, 呈現晶粒狀或者撕裂紋狀,具體形態取決于斷裂試 樣所承受的應力狀態及運行狀態(包括最大外加應 力強度 KImax、最小外加應力強度 KImin、臨界外加應 力強度 KIC、頻率、環境、溫度等),當 KImax＞KIC ＞ KImin時,就會產生撕裂紋[１２Ｇ１４],由圖２c)可見斷裂的 螺栓存在撕裂紋現象,屬于此種情形.
機側螺栓和爐側螺栓的布氏硬度接近標準規 定范圍的上限,說明其脆性較大,有較大的斷裂傾 向性.一般螺栓硬度高于正常范圍過大就會引起 螺栓的脆性 斷 裂,低 于 正 常 范 圍 則 導 致 螺 栓 的 強 度降低,也 容 易 發 生 斷 裂.而 機 側 螺 栓 和 爐 側 螺 栓最初是在 反 復 應 力 作 用 下,沿 著 螺 紋 前 端 發 生 的斷裂.
機側螺栓 和 爐 側 螺 栓 的 沖 擊 性 能 低 于 DL/T ４３９－２０１８規定的標準值.斷裂螺栓的沖擊吸收能 量偏低與碳含量高相對應,沖擊吸收能量隨著碳含 量的增大而降低[１５],材料塑性隨之下降.結合金相 檢驗可知,該螺栓組織析出部分碳化物、晶粒增大, 加上材料塑性下降,這是導致螺栓發生斷裂的根本 原因.
３ 結論及建議
在高溫緊固螺栓材料的冶煉工藝中,由于化學 元素含量控制不當,導致碳含量嚴重超標,造成螺栓 的沖擊吸收能量和塑性下降,最終促使螺栓發生斷 裂.在高溫緊固螺栓材料的冶煉工藝上應嚴格控制各元素的含量,尤其是碳含量,防止由于元素含量偏 離正常值而導致螺栓力學性能降低.
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