300 MW汽輪機中壓內缸螺栓斷裂原因分析

梁紅芳，鄭相鋒，冀彥昭，郝曉軍，康永勝

(1.河北省電力建設第一工程公司，石家莊　050400;2.國電鍋爐壓力容器檢驗中心，北京　102209;3.河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊　050400)

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300 MW汽輪機中壓內缸螺栓斷裂原因分析

梁紅芳1，鄭相鋒2，冀彥昭3，郝曉軍2，康永勝3

(1.河北省電力建設第一工程公司，石家莊050400;2.國電鍋爐壓力容器檢驗中心，北京102209;3.河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊050400)

摘要：針對某電廠300 MW汽輪機中壓內缸高溫螺栓斷裂情況，采用宏觀分析、化學分析、力學分析、金相分析、電鏡分析等方法進行斷裂原因分析，認為螺栓服役時間過長造成材質脆性增加是螺栓在運行中發生斷裂的主要原因，并提出相應的建議。

關鍵詞：300 MW汽輪機；高溫螺栓；20Cr1Mo1VTiB；斷裂

1故障情況

某電廠300 MW汽輪機為哈爾濱汽輪機廠制造，型號為N300-16.7/538/538,亞臨界、一次中間再熱、單軸雙缸雙排汽、反動式汽輪機。該汽輪機的中壓內缸螺栓規格為M48 mm×630 mm，材質為20Cr1Mo1VTiB(爭氣2號鋼)。該螺栓是栽絲螺栓，即上螺紋與上缸螺帽連接，下螺紋直接擰在下缸上。自投入運行至2014年12月25日A級檢修，累計運行時間約115 000 h。

高溫螺栓拆卸通常采用加熱法使螺栓伸長、緊力下降，再用適當的力矩扳手來回活動上缸的螺母，并通過敲振使螺母松動并拆除，然后起吊移除上缸，最后用扳手和鐵錘將栽絲螺栓擰下。拆卸期間發現中壓內缸編號為C9813和C9815高溫螺栓斷裂。為找出高溫螺栓斷裂原因，選取C9813中壓內缸螺栓進行分析。

2故障原因分析

2.1宏觀分析

螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示，可見斷口齊整，沒有明顯的塑性變形，裂紋是由螺栓的一側啟裂并向對側擴展，啟裂區位于螺紋應力集中處，該位置對蠕變和沖擊載荷敏感。裂紋從一側向對側擴展說明螺栓沿表面受力不均勻。在體視顯微鏡下可以看到斷口表面有氣流吹損的痕跡，說明斷口是在運行過程中發生的。如果采用大力錘擊的方法冷態拆卸螺栓，斷口會有鋒利的斷面以及扭轉受力形成的紋理，但從斷口中未發現類似的痕跡。

2.2化學分析

距C9813螺栓斷面56 mm處取樣進行化學成分分析，分析結果符合DL/T 439-2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中20Cr1Mo1VTiB材質的要求，結果詳見表1。

圖1　C9813螺栓斷口宏觀形貌

表1化學成分分析%

項目ω(C)ω(Si)ω(Mn)ω(S)ω(P)-螺栓試樣0.220.410.540.0020.014-標準要求0.17～0.230.40～0.600.40～0.60≤0.025≤0.025-項目ω(Cr)ω(Mo)ω(V)ω(Ti)ω(Ni)ω(Cu)螺栓試樣1.150.770.510.280.090.07標準要求0.90～1.300.75～1.000.45～0.650.16～0.28≤0.30≤0.25

2.3力學分析

距C9813螺栓斷面200 mm處取樣進行力學分析，分析結果顯示拉伸性能符合DL/T 439-2006中20Cr1Mo1VTiB材質的要求，結果詳見表2。

表2力學性能分析

檢驗項目屈服強度Rp0.2/MPa抗拉強度Rm/MPa延伸率A/%斷面收縮率Z/%力學性能751/754/755857/853/85718/17/1752.5/53/54標準要求≥685≥785≥14≥50

2.4硬度分析

距C9813螺栓斷面25 mm處取樣進行布氏硬度和顯微維氏硬度分析，其中顯微維氏硬度已轉換為布氏硬度。檢測結果表明其部分值低于DL/T 439-2006中20Cr1Mo1VTiB材質的要求，結果詳見表3。

表3布氏硬度分析

檢驗位置測點1測點2測點3測點4平均值布氏硬度C9813244259250254252顯微硬度C9813(轉換為HB)252266265257260標準要求HB255～293

2.5沖擊韌性分析

距C9813螺栓斷面55 mm處取樣進行U型沖擊韌性分析，沖擊試樣規格10 mm×10 mm×55 mm，分析結果見表4，其中試樣測試結果低于DL/T 439-2006中20Cr1Mo1VTiB材質大于等于39 J的要求。

表4沖擊韌性分析J

試樣編號沖擊試樣1沖擊試樣2沖擊試樣3沖擊試樣4力學性能32373836試樣編號沖擊試樣5沖擊試樣6沖擊試樣7-力學性能363138-

2.6金相分析

距C9813螺栓斷面10 mm處進行微觀金相分析，如圖2所示。其中金相組織為典型的回火貝氏體，貝氏體花紋明顯，組織正常，晶粒度5-6級，未見宏觀粗晶。

圖2　C9813螺栓顯微組織圖

2.7電鏡分析

對C9813螺栓金相試樣和斷面進行電鏡分析，圖3為金相試樣的電鏡照片，可以看出部分碳化物析出，但無明顯聚集和長大現象。圖4為螺栓斷口電鏡照片，可以看出斷裂面生長了氧化物，氧化物表面沒有被碾壓和摩擦痕跡，說明斷面在高溫蒸汽環境中存在了較長的時間，即斷裂是在運行過程中發生。

圖3　螺栓金相試樣電鏡照片

3綜合分析

宏觀分析表明，該螺栓是由于外界不平衡力的作用發生斷裂。斷面無塑性變形，

圖4　螺栓斷面電鏡照片

可以推測隨著運行時間的增加，爭氣2號鋼材料脆性增加，抗疲勞和蠕變能力下降，在螺栓受力不均勻的情況下，應力集中部位出現裂紋并向對側迅速擴展。個別布氏硬度和沖擊韌性低于標準值，也證明了該材質在預緊力和長時高溫運行后發生了脆性轉變。化學、金相和抗拉強度分析結果合格，表明螺栓初始狀態符合驗收標準。電鏡分析結果表明，螺栓斷裂面在高溫運行的條件下，表面生長大量氧化皮，斷裂后2個斷裂面在預緊力的作用下迅速分離，導致斷裂面氧化皮表面尖銳，未見相對研磨后的扁平形狀。綜合分析認為，螺栓服役時間過長造成材質脆性增加，是螺栓在這行中發生斷裂的主要原因。

4結論及建議

中壓內缸螺栓斷裂發生在機組運行期間，高溫運行后的高溫脆性是高溫螺栓斷裂的內因，不平衡力是斷裂的外因。為減少該類事故的發生，建議電廠對同一批次螺栓進行布氏硬度普查，低于標準值的應及時更換。另外，對汽缸典型部位處的螺栓進行破壞性的沖擊試驗抽查，為同類型機組的爭氣2號鋼高溫螺栓更換提供依據。

本文責任編輯：谷麗娜

Failure Analysis on Intermediate Pressure Inner Cylinder ofSteam-turbine for 300 MW Power Plant

Liang Hongfang1, Zheng Xiangfeng2,Ji Yanzhao3,Hao Xiaojun2,Kang Yongsheng3

(1.Hebei Power Construction First Company,Shijiazhuang 050400,China;2.Guodian Boiler Stress Test Center,Beijing 102209,China;3.Hebei Xibaipo Power Ltd.,Co. Shijiazhuang 050400,China)

Abstract:Aiming at intermediate pressure inner cylinder of steam-turbine for 300 MW power plant through microscope analysis,mechanical analysis,chemical analysis,metallography examination and scanning electron microscope etc,the causes resulting in fracture of high temperature bolt in intermediate pressure inner cylinder of steam-turbine for 300 MW power plant are analyzed.The result indicates the internal cause was the brittleness of high temperature bolt increasing with service time and broke in the operation.

Key words:300 MW steam-turbine;high temperature bolt;20Cr1Mo1VTiB;fracture

收稿日期：2016-04-01

作者簡介：梁紅芳(1968-)，男，高級工程師，主要從事電站材料金屬焊接及管理培訓工作。

中圖分類號：TK263.3;TK264.9

文獻標志碼：B

文章編號：1001-9898(2016)03-0042-02