法蘭通孔螺柱斷裂原因分析

龔靜，何朋非，胡加瑞，謝億，陳紅冬

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

法蘭通孔螺柱斷裂原因分析

Cause analysis on fracture of flange stud

龔靜1，何朋非1，胡加瑞2，謝億2，陳紅冬2

(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

采用布氏硬度、室溫拉伸、沖擊韌性試驗、化學成分分析等方法，并結合金相及掃描電鏡觀察，對某電廠法蘭通孔螺柱的斷裂原因進行分析。結果表明，該材料存在線性夾雜物及塊狀鐵的氧化物雜質，及沖擊韌性較差，導致了法蘭通孔螺柱在熱緊冷卻過程中發生脆性斷裂。

金相組織；掃描電鏡；螺柱；沖擊韌性；脆性斷裂

1 概況

某電廠 2號機組法蘭通孔螺柱材質為20Cr1Mo1VNbTiB。該材料為貝氏體耐熱鋼具有優良的綜合力學性能和較好的淬透性，主要用于570℃以下高溫螺栓及閥桿材料。該鋼在570℃溫度下具有較高的抗松弛性能、持久強度和持久塑性，且持久缺口敏感性小，熱脆性低，組織穩定性好〔1〕。該電廠所用螺柱規格為M120 mm×1 030 mm，服役時間約3萬h，螺柱在熱緊冷卻過程中發生脆性斷裂〔2〕。

2 試驗結果

2.1 宏觀檢查

法蘭通孔螺柱的斷口宏觀形貌如圖1所示。螺柱在螺紋絲扣中部處斷裂，斷口無明顯塑性變形，屬典型脆性斷裂。圖1(a)虛線框中的灰黑色區域為斷裂源，其放大圖如圖1(b)所示，灰黑色區域尺寸為34 mm×14 mm。

2.2 硬度試驗

在螺柱光桿上及其橫截面分別進行硬度試驗，其中橫截面的硬度試驗分別在距螺柱外壁6，12，18，24，30 mm處進行 (螺柱外壁到中心孔的距離為50 mm)。螺柱光桿上的布氏硬度值為293 HB，橫截面的平均布氏硬度值為298 HB，螺栓各部位硬度值均滿足文獻 〔3〕標準中252～302 HB的要求。

圖1 螺柱斷口

2.3 拉伸試驗

在螺柱1/2半徑處取樣進行拉伸試驗，其室溫拉伸力學性能結果見表1。螺柱的3項力學性能指標均符合文獻 〔3〕關于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表1 螺柱的室溫拉伸力學性能

2.4 沖擊試驗

在螺柱1/2半徑處取U型缺口標準試樣進行沖擊試驗。螺柱沖擊功的平均值為36.5 J，低于文獻 〔3〕中不小于47 J的要求。

2.5 化學成分分析

對螺柱進行化學成分分析，試驗結果見表2。螺柱的主要化學元素符合文獻 〔3〕 關于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表2 螺柱的化學成分 %

2.6 金相檢驗

在螺柱1/2半徑處取軸向截面進行金相試驗。螺柱軸向截面的金相組織為貝氏體＋殘余奧氏體＋鐵素體。同時材料中含有少量線性夾雜和金黃色方塊及具有一定幾何形狀的TiN夾雜物〔4〕，在殘余奧氏體內部存在裂紋，并且TiN夾雜物尖角處有裂紋萌生，分別如圖2(b，d)中白色箭頭所示。

圖2 螺柱金相組織照片

2.7 掃描電鏡分析

2.7.1 成分分析

沿圖1(a)虛線框中取樣進行掃描電鏡能譜分析，灰黑色區域的2個視場能譜采集位置及對應譜峰圖如圖3所示，其化學成分見表3。圖1中的灰黑色物質主要為鐵的氧化物。

圖3 能譜采集點及對應譜峰圖

表3 灰黑色區域采集點化學成分 %

2.7.2 斷口分析

對螺柱斷口進行掃描電鏡分析，從圖4(a)中可知螺柱斷裂源不在螺紋根部；斷裂區域最大孔洞如圖4(b)所示，該深孔距螺柱外壁約5 mm；圖4(c)中斷口呈解理斷裂〔5〕；圖4(d)中灰黑色區斷口表面平滑、無明顯裂紋和撕裂痕跡。

圖4 斷口掃描電鏡圖片

3 原因分析

法蘭通孔螺柱的3項力學性能指標均符合文獻 〔3〕標準要求，但其沖擊性能低于該標準要求，并且軸向截面顯微組織含有少量殘余奧氏體、鐵素體以及線性夾雜，金相組織欠佳。

整個斷面有2處明顯的宏觀可見雜質，檢測顯示雜質為鐵的氧化物，其中較大塊雜質尺寸為34 mm×14 mm。電廠將螺柱加熱膨脹至規定長度后擰進螺母，在隨后的收縮冷卻過程中產生很大的預緊力，由于大塊狀雜質的存在，弱化了螺柱的力學性能，導致螺柱發生瞬間斷裂。

4 結論及建議

法蘭通孔螺柱發生斷裂主要是由于材料中存在鐵的氧化物和線性夾雜，以及材料沖擊韌性差、熱處理工藝欠佳。

斷裂螺柱雜質較大、熱處理工藝欠佳，同批次螺柱中也可能存在類似情況，運行過程中可能發生瞬間斷裂，會嚴重影響機組的安全運行。建議對入廠新螺栓進行相關的金相、硬度、沖擊試驗以及無損檢驗等；同時加強螺栓入廠驗收把關，防止不合格產品流入運行環節。

〔1〕干勇，田志凌，董瀚，等.鋼鐵材料手冊 (下) 〔S〕.北京:化學工業出版社.2009:926-929.

〔2〕鐘群鵬.斷口學 〔M〕.北京:高等教育出版社，2005:176-184.

〔3〕DL/T 439—2006火力發電廠高溫緊固件技術導則 〔S〕.北京:中國電力出版社，2006.

〔4〕李炯輝.金屬材料金相圖譜 (上冊) 〔M〕.北京:機械工業出版社，2007:645-651.

〔5〕姜錫山，趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊 〔S〕.北京:機械工業出版社，2010:25-41.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.015

TG113

B

1008-0198(2015)02-0049-02

龔靜(1986)，女，漢族，廣西桂林人，碩士研究生，從事理化試驗及事故分析。

2014-09-25 改回日期:2014-10-13