汽輪機組閥蓋緊固螺栓斷裂失效分析

　　摘要：采用宏觀形貌和顯微組織觀察、化學成分分析、力學性能測試和沖擊斷口微觀形貌觀察等方法，對某電廠 4 號汽輪機組中壓調節閥閥蓋用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓的斷裂原因進行了研究。 結果表明，螺栓斷裂的原因主要與長時高溫運行引起的蠕變損傷有關。 螺栓的許用工作溫度(570 ℃ )僅略高于汽輪機組的設計溫度(566 ℃ )，裕度存在不足，且螺母端第一扣螺紋牙底處的應力集中程度較高，在長期高溫和低速率應力集中的共同作用下形成蠕變孔洞，沖擊性能逐漸下降，并最終引發蠕變損傷斷裂。 據此，建議對中壓調節閥緊固螺栓及相應的墊圈材料配套進行等級升級。

　　鄭建軍; 樊子銘; 劉孝; 喬欣; 高云鵬， 金屬熱處理 發表時間：2021-10-25

　　關鍵詞：20Cr1Mo1VTiB 鋼;緊固螺栓;斷裂;蠕變損傷;沖擊性能

　　汽輪機作為火力發電機組的核心部分之一，其安全穩定性對機組的正常運行起著不可替代的重要作用[1]。通常情況下，為了更好地適應高溫、高應力及蒸汽氧化腐蝕的工作環境，汽輪機組各部位會采用奧氏體不銹鋼、高溫合金鋼等緊固螺栓進行連接。 因此，作為汽輪機組的關鍵連接部件，高溫緊固螺栓的運行性能對于汽缸中分面的氣密性而言極其重要[2]。 但是，隨著高溫螺栓在火力發電廠的廣泛使用，因其失效斷裂而導致的非計劃停運的事故呈逐年上升的趨勢[3?5]。

　　某電廠 4 號汽輪機組于 2011 年投產運行，型號為CZK350 / 320?24. 2 / 0. 4 / 566 / 566，屬于超臨界、中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、直接空冷、采暖供熱抽汽式汽輪發電機組。 2020 年 7 月 31 日，電廠檢修人員在對其中壓調速門進行解體時，發現 20 余根氣閥閥蓋緊固螺栓發生斷裂。 斷裂的緊固螺栓型號為 M33 mm ×273 mm，材質為 20Cr1Mo1VTiB 鋼。 為了確定螺栓的失效原因，本文采用宏觀形貌與微觀組織觀察分析、力學性能測試、斷口形貌觀察等方法，針對中壓調速汽閥閥蓋用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓的斷裂機理進行了研究，并提出了相應改善措施，以避免類似事故再次發生。

　　1 試驗材料及方法

　　試驗材料為斷裂失效的組中壓調速汽閥閥蓋用20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓。 采用 SPECZROMAXx 型臺式直讀光譜儀對其進行化學成分分析，確定化學成分是否符合標準要求;采用 Axio Observer. Alm 型光學顯微鏡對其進行顯微組織觀察及分析，確定顯微組織是否 正 常; 采 用 ZBC?300B 型 數 字 式 沖 擊 試 驗 機、THBC?3000DA 型圖像處理式布氏硬度計及 CMT5305電子萬能試驗機分別對其螺桿部位進行硬度測量、室溫沖擊及室溫拉伸試驗，確定其力學性能是否符合標準要求;采用 HITACHIS?3700N 型掃描電鏡( SEM) 對沖擊斷口形貌進行觀察分析，進一步確定斷裂機理和失效方式。

　　2 試驗結果及分析

　　2. 1 化學成分分析

　　經過直讀光譜儀檢測，斷裂失效的中壓調節閥閥蓋用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓的化學成分如表 1 所示，符合 DL / T 439—2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》標準的要求，排除材質錯用問題。

　　2. 2 宏觀形貌分析

　　中壓調速汽閥閥蓋共裝有 30 根螺栓，拆解時發現其中 20 根完全斷裂，剩余 10 根已無法正常取出，如圖 1(a) 所示。 對斷裂的 20 根緊固螺栓進行宏觀形貌觀察后可以發現，所有螺栓的斷口表面均存在明顯的高溫氧化銹層，大多數的螺栓均斷裂于螺母端第一扣螺紋牙底處，且存在 3 種不同類型的宏觀斷口形貌：第 1類斷口的斷面較平整，具有明顯的脆性開裂特征，并且可以清 晰 地 觀 察 到 啟 裂 區、 擴 展 區 及 瞬 斷 區 ( 如圖 1(b) 所示)，具有該類斷口特征的螺栓共計 13 根;第 2 類斷口的斷面凹凸不平，呈明顯的撕裂特征(如圖 1(c) 所示)，具有該類斷口特征的螺栓共計3 根;第3類斷口附近螺桿存在明顯頸縮現象，為典型的塑性斷口，并且在斷面可以觀察到纖維區、放射區及剪切唇(如圖 1(d)所示)，具有該類斷口特征的螺栓共計 4 根。

　　2. 3 顯微組織分析

　　根據宏觀斷口形貌，從 3 種斷口類型的螺栓中各取 1 支進行顯微組織觀察(遠離斷口處)，如圖 2 所示。 由圖 2(a ～ c)可以看出，3 種螺栓的基體組織均為細晶粒狀貝氏體，局部區域還可以觀察到尺寸較大的菱形、橢圓形等第二相析出物，未見粗大晶粒或黑色網狀晶界等異常。 值得注意的是，第 1 類螺栓的基體組織略粗大(如圖 2( d)所示)，貝氏體以板條狀結構為主，而第 3 類螺栓的基體組織較細小(如圖 2( f)所示)，貝氏體主要為細晶狀。

　　選取具有代表性的第 1 類和第 3 類螺栓，用電火花線切割機將其斷面沿軸向切開，然后對斷口啟裂區域的微觀形貌進行觀察，結果如圖 3 所示。 從圖 3(a，c)可以看出，兩組螺栓的斷口尖端均存在大量的沿晶蠕變孔洞，表明兩組螺栓的斷裂部位在斷裂前處于長時間過熱狀態。 此外，與圖 2(d， f)所示遠離斷口處的相比，斷口附近區域的基體內析出了大量的碳化物，組織均已明顯老化，如圖 3(b， d)所示。

　　2. 4 力學性能分析

　　第 1 類和第 3 類螺栓遠離斷口位置的螺桿部位的力學性能如表 2 所示，可以看出，兩類螺栓的屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊性能及硬度均符合 DL / T439—2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》標準的要求。 但是第 1 類螺栓的沖擊吸收能量僅略高于標準值，存在沖擊吸收能量余量不足問題。

　　2. 5 沖擊斷口分析

　　圖 4 為第 1 類和第 3 類螺栓的沖擊斷口形貌。 由圖 4(a)可以觀察到，第 1 類螺栓的沖擊斷口主要以準解理形貌為主，并且還可以觀察到一些二次裂紋，具有典型的脆性斷裂特征，這主要與該螺栓的塑韌性偏低有關。 第 3 類螺栓的沖擊斷口以準解理斷面 + 少量韌窩為主。 這是由于第 3 類螺栓的晶粒尺寸更細小，因此其所產生的解理面明顯小于第 1 類螺栓，這也與顯微組織觀察的結果相符。

　　3 討論

　　結合拆解現場情況及螺栓宏觀形貌觀察結果可知，20 根斷裂的螺栓中有 13 根具有脆性斷口，說明脆性斷裂是造成此次中壓調節閥緊固螺栓斷裂的主要原因。 結合顯微組織的觀察結果不難看出，螺栓在發生脆 性 斷 裂 前 存 在 長 期 的 超 溫 過 熱 現 象。20Cr1Mo1VTiB 鋼作為一種高溫熱強鋼，其設計工作溫度通 常 可 達 570 ℃ [6]。 在 許 用 工 作 溫 度 以 下，20Cr1Mo1VTiB 鋼螺栓擁有優良的持久強度和抗松弛性能，且熱脆傾向小，缺口敏感性低。 本研究中，4 號汽 輪 機 組 的 設 計 溫 度 為 566 ℃ ， 可 見 選 用20Cr1Mo1VTiB 鋼材質的螺栓作為緊固部件剛好滿足汽輪機組的使用要求，但是裕度不足。 這勢必會造成中壓調節閥緊固螺栓長期在超出許用工作溫度的條件下運行。 加之中壓調節閥緊固螺栓的斷裂位置均為螺母端第一扣螺紋牙底處，該部位存在較高程度的應力集中[7?9]。 金屬材料在長期超過其許用工作溫度的高溫環境和低速率應力集中共同作用下會不斷引發蠕變老化，并逐漸沿晶界處形成不規則孔洞，進而造成蠕變損傷[10]。 已有研究表明，蠕變損傷通常與材料內部微孔洞或微裂紋的合并和長大有關[11?12]。 蠕變損傷的定義公式為[13]：D = SD/ S (1)式中：SD為孔洞的面積，S 為公稱截面積。 由公式(1)可知，隨著孔洞面積的不斷增加，材料基體內部的蠕變損傷程度將逐漸加劇，伴隨著蠕變變形的不斷發展，當蠕變損傷累積的一定程度時將形成宏觀空洞，并最終引發斷裂。

　　此外，螺栓作為機組設計中的易損件，反復安裝、安裝應力過大及長期高溫環境下運行都會使其自身強度不斷下降，也在一定程度上增加了中壓調節閥緊固螺栓蠕變斷裂的幾率。

　　為了增加中壓調節閥緊固螺栓的安全裕度，建議提升螺栓等級，選用許用溫度更高的 R26 型奧氏體不銹鋼螺栓，并對相應的墊圈材料進行配套升級。

　　4 結論

　　1) 中壓調節閥用 20Cr1Mo1VTiB 鋼緊固螺栓均斷裂于螺母端第一扣螺紋牙底處，且存在 3 種不同類型的宏觀斷口形貌，具有脆性斷裂特征的螺栓數量較多。

　　2) 螺栓的斷裂主要與長時高溫環境下引起的蠕變損傷有關。 由于長期高溫和低速率應力集中的共同作用，使應力集中程度較高的螺母端第一扣螺紋牙底處組織不斷老化，形成蠕變孔洞，導致沖擊性能逐漸下降，最終引發蠕變損傷斷裂。

　　3) 螺栓的許用工作溫度僅略高于汽輪機組的設計溫度，裕度不足。 為了增加中壓調節閥緊固螺栓的安全裕度，建議提升螺栓等級，選用許用溫度更高的R26 型奧氏體不銹鋼螺栓，并對相應的墊圈材料進行配套升級。