汽輪機中壓內缸定位螺栓斷裂失效原因分析

韓光海

汽輪機中壓內缸定位螺栓斷裂失效原因分析

韓光海

（神華國能寶清煤電化有限公司，黑龍江雙鴨山155100）

通過結構分析、化學成分分析、硬度檢測、宏觀斷口形貌觀察和金相組織觀察等方法，對某電廠汽輪機中壓內缸定位雙頭螺栓斷裂原因進行了分析。結果表明：螺栓斷裂的性質屬于脆性沿晶斷裂，主要原因為螺栓的組織發生異常，內部產生微觀裂紋，局部承載過大。

定位螺栓；顯微組織；斷裂分析

0　　引言

火力發電廠中常用的高溫螺栓用鋼材質為20Cr1Mo1VTiB，適用于570℃以下環境，具有良好的綜合性能、抗松弛性能和熱強性，由于加入了穩定碳化物元素V、Ti，并且添加B元素強化晶界，不但有高的持久強度，而且有高的持久塑性［1］。然而電廠高溫螺栓往往存在因制造質量不合格或檢修不當而造成失效。而且，在高溫和應力的長期作用下，螺栓本身組織會發生老化和粗化，從而使材料發生脆性斷裂而失效。

某電廠汽輪機組系哈爾濱汽輪機廠有限公司生產制造，型號為N300-16.7/538/538型汽輪機，型式為亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽反動式汽輪機。汽輪機額定功率：300 MW；蒸汽壓力：16.7 MPa；蒸汽溫度：538℃，截止到機組檢修時累計運行7.9萬h。2015年10月，該電廠A級檢修期間，發現材質為20Cr1Mo1VTiB的中壓內缸定位雙頭螺栓（螺栓規格Ф45 mm×3 mm×350 mm）發生斷裂，對螺栓斷裂的具體情況和原因進行分析。

1　　常見螺栓斷裂的影響因素

金屬材料的力學性能取決于化學成分、組織結構、冶金質量、殘余應力及表面和內部缺陷等內在因素，也取決于載荷性質、載荷譜、應力狀態、溫度、環境介質等因素，以下為幾種典型的高溫螺栓失效因素。

1.1結構因素

螺栓由于結構設計的原因，在變截面處會產生應力集中區，定位雙頭螺栓的應力集中域在雙頭螺栓與螺母嚙合處及螺栓光桿與定位鼓銜接處，而在額定工況下，汽缸左、右兩端定位螺栓所受的工作應力大于其他受拉螺栓，其中高、中壓合缸部位的定位螺栓應力值最大，而且定位雙頭螺栓在機組啟、停與服役中應力不均衡，汽機冷啟動時，作用在螺栓中的溫度應力較大，其中定位螺栓中的溫度應力最大［2］，因此，定位螺栓在服役過程中由于受力情況的不同容易在應力集中區發生斷裂。

表120Cr1Mo1VTiB元素化學成分（質量分數）　%

1.2組織因素

螺栓在高溫下長期服役，其內部組織會發生變化，生成一些有害于螺栓機械性能的組織，其中典型的引起失效的組織形式包括：帶狀組織，石狀組織和粗大的位向組織，這些異常組織的存在造成材料組織粗大、不均勻，形成各向異性，降低了材料的強度和韌性。

1.3疲勞因素

螺栓在高溫下長期受循環應力的作用，容易產生高溫疲勞，產生高溫疲勞時材料內部組織會發生晶界弱化，有時在晶界上會產生蠕變空位，蠕變空位的聚集會產生微裂紋，引起材料失效。

1.4外界因素

螺栓在檢修期間的拆卸、裝配過程中，由于操作不規范，強行拆除螺栓容易在螺栓表面形成外部劃痕，緊螺母時，施力過大，產生瞬間極大扭矩，在螺栓內部形成剪切應力，使螺栓發生斷裂。

2　螺栓斷裂原因分析

2.1螺栓結構分析

圖1為中壓內缸雙頭定位斷裂螺栓與同種完好螺栓的對比，從圖中可以看出定位螺栓斷裂的位置在螺栓螺紋與定位鼓銜接的縮頸位置處，此位置由于縮頸而產生應力集中，是整個螺栓受力最為薄弱的地方，當螺栓收到外力時，容易在此位置發生斷裂。

圖1　　中壓內缸斷裂螺栓

2.2化學成分和硬度分析

對斷裂定位螺栓進行了化學成分分析，試驗數據見表1。對比DL/T 439—2006《火力發電廠高溫緊固件技術導則》［3］，可以明確材質為20Cr1Mo1VTiB，且各元素成分含量滿足標準要求。

對斷裂定位螺栓在斷口附近進行了硬度檢測分析，試驗數據見表2。根據DL/T 438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》［4］，20Cr1Mo1VTiB螺栓的合格HB硬度范圍為255～293，可以看出螺栓硬度在合格范圍之類，并未發現硬度超標。

表2　20Cr1Mo1VTiB斷裂螺栓硬度檢測結果

2.3斷口形貌分析

中壓內缸高溫定位雙頭螺栓斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖可以看出，該斷口比較平齊，色澤偏灰暗，斷口邊緣未見明顯的塑性變形特征，斷口呈典型的冰糖狀結晶形貌，結晶顆粒較為粗大；同時斷口宏觀形貌呈現放射狀，放射中心位于近圓心位置，據此可以初步判斷該高溫定位螺栓斷裂方式為在外加剪切應力作用下的脆性沿晶斷裂。

另外，從宏觀斷口形貌可以明顯看出在斷口放射中心位置存在微小孔洞，推測其放射中心部位存在夾渣或微孔缺陷，或是在長期服役過程中，內部微孔逐漸向此處聚集形成孔洞，這是材料內部裂紋萌生部位；在放射線及結晶塊邊界部位分布著曲折裂紋，這可能是裂紋擴展過程中形成的二次裂紋。

圖2　　定位螺栓斷口宏觀形貌

2.4金相組織分析

中壓內缸定位雙頭螺栓材質為20Cr1Mo1VTiB，為低合金熱強鋼，該材質的正常金相組織為回火貝氏體，在加工熱處理過程中，淬火形成貝氏體組織，后回火處理降低材料組織內應力，但仍然保持其貝氏體組織形貌特征。

對此，進一步研究分析螺栓的金相組織特征，斷裂中壓內缸定位雙頭螺栓的金相組織如圖3所示，其中圖3（a）為斷裂螺栓斷口附近金相組織，圖3（b）為完好螺栓相同部位組織。對比發現，完好螺栓組織為粒狀貝氏體和少量鐵素體的混合組織，其中貝氏體組織彌散均勻分布。而斷裂螺栓斷口處金相組織明顯異常，晶粒大小極不均勻，晶界處有顆粒狀或短線狀組織聚集，存在著嚴重的混晶現象。另外金相組織中還存在明顯的條帶狀組織，且其內部存在少量夾雜物。

這可能是由于該定位螺栓在高溫環境下長期運行，組織發生變化，晶粒逐漸長大，晶粒中的碳化物逐漸析出，并在晶界部位富集，致使晶界弱化，因此在晶界部位更易發生開裂。

3　結語

該螺栓斷裂主要原因：螺栓螺紋與定位鼓銜接處由于縮頸而產生應力集中，同時由于長期在高溫下服役，螺栓材料中的帶狀組織發生粗化，晶粒中碳化物逐漸析出，并在晶界部位富集，致使晶界弱化以及材料內部有微觀裂紋形成，并且在螺栓裝卸過程中由于操作不當，對螺栓施加了一個極大的扭矩，形成切向應力，綜合作用使得螺栓在縮頸位置的應力集中部位局部承載過大，發生脆性斷裂。

［1]王飛，夏尊美，王紅櫻.20Cr1Mo1VTiB汽輪機螺栓斷裂失效分析［J］.湖南電力，2009，29（5）：54-58.

［2]徐長威，許好好.高、中壓缸法蘭緊固螺栓斷裂原因及解決措施［J］.電力建設，2004，25（2）：19-23.

［3］DL/T 439—2006火力發電廠高溫緊固件技術導則［S］.

［4］DL/T 438—2009火力發電廠金屬技術監督規程［S］.

Fracture Failure Cause Analysis on Positioning Bolt in the Middle Pressure Cylinder of Steam Turbine

HAN Guanghai
（Shenhua Guoneng Baoqing Coal-fired Power Co.，Ltd.，Shuangyashan 155100，China）

Using methods of structural analysis，chemical composition analysis，hardness test，macroscopic fracture morphology observation and metallographic structure observation，the fracture reason of the double headed bolt in the middle pressure cylinder of a power plant is analyzed.Results show that the nature of bolt fracture belongs to brittle intergranular fracture.The main reason of the fracture is that the structure of the bolt occurs some abnormality due to the large local load，and then the internal micro crack is produced.

positioning bolt；microstructure；fracture analysis

圖3　中壓內缸定位雙頭螺栓金相組織（4%硝酸酒精溶液腐蝕，500×）

TK268

B

1007-9904（2016）06-0074-03

2016-03-07

韓光海（1967），男，從事金屬監督管理工作。