20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓斷裂失效分析

吳紅輝 ，王韋

(1.廣東電研鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，廣州 510700; 2.東風(fēng)天汽模(武漢)金屬材料成型有限公司，武漢 430040)

0 引言

汽輪機(jī)是火力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，其正常運(yùn)行決定著機(jī)組的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)高效性。汽輪機(jī)螺栓作為汽輪機(jī)的緊固件，在保證汽缸中分面汽密性上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。為適應(yīng)高溫、高應(yīng)力及蒸汽氧化腐蝕的工作環(huán)境，合金鋼、12%Cr鐵素體不銹鋼、高溫合金鋼等是制造汽輪機(jī)高溫螺栓的主要材料。20Cr1Mo1VNbTiB作為一種珠光體高溫?zé)釓?qiáng)鋼，具有較高的持久強(qiáng)度和抗松弛性能，且持久塑性好，熱脆傾向小，缺口敏感性低，主要應(yīng)用于制造工作溫度低于570 ℃的高溫螺栓[3-4]。

根據(jù)近年國(guó)內(nèi)火電機(jī)組事故統(tǒng)計(jì)表明，汽輪機(jī)螺栓失效斷裂導(dǎo)致電廠機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的事故時(shí)有發(fā)生，造成較大經(jīng)濟(jì)損失[5-7]。本文針對(duì)某電廠汽輪機(jī)高壓缸用20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的斷裂失效進(jìn)行了探究，較全面地分析了其斷裂原因及機(jī)理，并提出了相應(yīng)預(yù)防措施，以避免同類(lèi)事故的重復(fù)發(fā)生。

1 試驗(yàn)及結(jié)果

斷裂螺栓規(guī)格為M120 mm×4 mm×1 530 mm，斷裂部位為距螺栓端部570 mm螺桿處，工作溫度在510 ℃左右，汽輪機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約140 000 h。試驗(yàn)借助金相顯微鏡、布氏硬度計(jì)、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、直讀光譜儀及掃描電子顯微鏡，對(duì)其斷裂原因及機(jī)理進(jìn)行了分析。

1.1 斷口分析

圖1為斷裂螺栓斷口正面及側(cè)面的宏觀形貌。由圖1a可知，螺栓斷面整體較平整，稍有凹凸區(qū)域，螺桿無(wú)明顯宏觀塑性變形，沿?cái)嗫诩y理走向可判斷出螺栓斷裂過(guò)程中裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3個(gè)區(qū)域。由圖1b可知，斷口裂紋源的側(cè)表面存在較密集的機(jī)械損傷凹坑，系安裝或拆卸過(guò)程中人為所致。由此可判斷螺桿表面密集、點(diǎn)狀機(jī)械損傷是造成該部位應(yīng)力集中，螺栓形成裂紋源的外在誘因。

圖1 螺栓斷口宏觀形貌

對(duì)該失效螺栓斷口的裂紋源及裂紋擴(kuò)展區(qū)取樣，采用掃描電子顯微鏡(SEM)掃描，結(jié)果如圖2

圖2 螺栓斷口的SEM形貌

圖3 金相組織

所示。由圖2a、圖2b可以看出，這兩個(gè)斷裂區(qū)域均無(wú)明顯韌窩，但存在近河流花樣、短且彎曲的撕裂棱，呈準(zhǔn)解理斷裂形貌[8]；結(jié)合圖2c、圖2d可以看出，斷裂區(qū)域存在較明顯的解理臺(tái)階。由此可判斷螺栓斷裂屬于解理脆性斷裂。

1.2 金相組織

于螺栓斷口處及遠(yuǎn)離斷口螺桿部位橫截面分別取樣，借助萊卡DMI3000M金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。試樣分別標(biāo)記為#1，#2，金相照片如圖3所示。由圖可知，#1，#2試樣金相組織均為回火貝氏體，部分碳化物析出，#1斷口處可觀察到明顯的沿晶微裂紋。參照DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》可知，#1，#2試樣晶粒度為3～4級(jí)，屬于微觀中等粗晶。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

1.3.1 硬度試驗(yàn)

采用HB-3000布氏硬度計(jì)(HBW)分別對(duì)#1，#2試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)。參照DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中對(duì)20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓硬度的規(guī)定可知，遠(yuǎn)離斷口的#2試樣及斷口附近的#1式樣的多次布氏硬度測(cè)量值均在正常范圍內(nèi)，見(jiàn)表1。

1.3.2 拉伸性能試驗(yàn)

沿縱向?qū)β菟輻U部分取樣，標(biāo)記為#3試樣并進(jìn)行常溫力學(xué)拉伸試驗(yàn)。參照DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中對(duì)20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓拉伸性能的規(guī)定可知，斷裂螺栓常溫拉伸性能滿足技術(shù)要求，見(jiàn)表2。

表1 #1及 #2試樣的布氏硬度 HBW

表2 螺栓拉伸性能

1.3.3 沖擊性能試驗(yàn)

于斷裂螺栓的斷口附近及遠(yuǎn)離斷口位置取樣，分別標(biāo)記為#4，#5試樣并進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。參照DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中對(duì)20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)高溫螺栓沖擊性能的規(guī)定，斷裂螺栓沖擊韌性偏低。結(jié)合金相組織分析可知，該螺栓金相組織析出部分碳化物、晶粒增大、沖擊韌性下降，這是導(dǎo)致螺栓發(fā)生脆性斷裂的內(nèi)在原因。

表3 螺栓沖擊性能 J

1.4 化學(xué)成分析

采用GS1000真空型直讀發(fā)射光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，并與DL/T 439—2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定的20Cr1Mo1VNbTiB高溫螺栓標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合要求，螺栓制造時(shí)選材無(wú)誤。

2 分析與討論

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知：該螺栓化學(xué)成分、硬度及常溫拉伸性能均符合技術(shù)要求；金相組織為回火貝氏體，部分碳化物析出，晶粒度為3～4級(jí)，屬于微觀中等粗晶；螺栓斷裂處位于距螺栓端部570 mm螺桿處，未見(jiàn)明顯塑性變形，宏觀斷口可觀察到裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，結(jié)合斷口SEM形貌可知其屬于解理脆性斷裂；進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)近斷口裂紋源一側(cè)表面存在密集的機(jī)械損傷凹坑，可判斷表面嚴(yán)重?fù)p傷導(dǎo)致該部位形成應(yīng)力集中[9-11]，進(jìn)而誘導(dǎo)裂紋源的形成。螺栓金相組織表明晶粒相對(duì)較粗大，部分碳化物析出，使得材料的沖擊韌性下降；同時(shí)由于長(zhǎng)期工作于高溫高壓的環(huán)境中，在緊固應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及熱應(yīng)力的綜合作用下，裂紋源逐步擴(kuò)展，最終發(fā)生解理脆性斷裂[12-13]。

表4 螺栓化學(xué)成分 %

3 結(jié)論

(1)在火電廠汽輪機(jī)解體檢修過(guò)程，由于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的暴力拆裝致使螺栓表面機(jī)械損傷嚴(yán)重。該部位形成應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生了裂紋源，這是此次螺栓發(fā)生斷裂的直接原因。

(2)螺栓晶粒較粗大，且長(zhǎng)期服役于高溫高壓環(huán)境中，造成碳化物逐步析出、材料沖擊韌性下降，容易發(fā)生脆性斷裂，這是此次螺栓發(fā)生斷裂的根本原因。

因此，火力發(fā)電廠在對(duì)運(yùn)行汽輪機(jī)緊固件進(jìn)行金屬技術(shù)監(jiān)督過(guò)程中，不僅要做好宏觀、探傷、硬度、金相的檢查，而且有必要抽取一定數(shù)量的螺栓進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)。