汽輪機中壓隔板套螺栓失效分析

李延龍

（大唐國際托克托發電有限責任公司，內蒙古 托克托010206）

1 概況

內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司12 號機組為300MW 濕冷汽輪發電機組。汽輪機為東方汽輪機廠制造，型號為N300-16.7/537/537-8 型，型式為亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽凝汽式汽輪機。12 號機組于2007 年12 月21 日投產。

托電12 號機于2018 年9 月進行A 級檢修，汽輪機進行本體解體揭缸后，發現中壓缸中壓1 號隔板套螺栓，右側4-5-6發生斷裂，左側4 斷、5 裂、6 彎，斷裂螺栓位于中壓隔板2-3 級動葉之間，中壓1 級隔板套螺栓規格是M48，螺栓材質為25Cr2MoVA，如圖1 所示。在現場，同時可以看到汽缸存在明顯的變形現象。12 號機組自2007 年12 月投產以來，截止本次停機累計運行時間60790 小時。

圖1 斷裂螺栓位置現場照片

2 斷口分析

現場觀察螺栓斷裂位置，觀察斷裂螺栓斷口，螺栓中1- 右6 號斷口磨損嚴重，已經無法判斷斷裂形式如圖3 所示；螺栓中1- 右5 號螺栓次之，但也受到了較嚴重的磨損和氧化，無法判斷斷裂形式，如圖4 所示；螺栓中1- 右4 號螺栓斷口磨損程度較低，表面呈暗灰色，斷口齊平，表面無明顯疲勞條紋，斷口表面較粗糙，符合脆性斷裂斷口形貌，如圖5 所示。從斷裂螺栓斷口磨損氧化程度判斷，中1- 右6 號螺栓為首斷螺栓，但由于斷裂螺栓斷口磨損嚴重，已經無法判斷斷裂形式。從磨損程度較輕的中1- 右4 號螺栓斷口宏觀形貌可以看出，斷口表面呈暗灰色，斷口齊平，表面無明顯疲勞條紋，斷口表面較粗糙，為脆性斷裂斷口。經過現場觀察螺栓斷裂位置，如圖2 所示，螺栓斷裂發生在螺桿部位，未發生在螺栓變截面應力集中部位。

圖2 螺栓斷口宏觀斷口

圖3 中1- 右6 號螺栓斷口宏觀照片

圖4 中1- 右5 號螺栓斷口宏觀照片

圖5 中1- 右4 號螺栓斷口宏觀照片

3 化學成分分析

從現場了解到螺栓材質為25Cr2MoVA，利用牛津FOUNDRY-MASTER PRO 型全譜直讀光譜儀對取樣螺栓進行化學成分分析，結果見表1。與DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中25Cr2MoVA 的成分相比，所測試的斷裂螺栓中中1- 右4 號螺栓C 元素含量略低于標準要求值，其它正常。

表1 化學成分

4 力學性能試驗分析

4.1 硬度試驗

分別對斷裂螺栓進行布氏硬度檢測，結果如下：其中中1-右5 試樣硬度260HB，中1- 右6 試樣硬度264HB 符合標準要求，而中1- 右4 斷裂螺栓的硬度221HB 值低于標準要求。規程標準值248-293HB。布氏硬度范圍參考自標準DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》。

4.2 室溫拉伸試驗

選取中1- 右4、中1- 右5 和中1- 右6 斷裂螺栓進行制樣，分別進行室溫拉伸試驗，結果見表2。可以看出，中1- 右5、中1- 右6 螺栓試驗的抗拉強度、規定非比例延伸強度、斷后伸長率和斷面收縮率均符合DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中25Cr2MoVA 的室溫性能要求，而中1- 右4 斷裂螺栓的力學性能低于標準的要求。

4.3 室溫沖擊試驗

對中1- 右4、中1- 右5 和中1- 右6 斷裂螺栓栓進行取樣，分別進行室溫沖擊試驗，中1- 右4 沖擊吸收功為32、中1-右5 沖擊吸收功為36、中1- 右6 沖擊吸收功為35.從實驗結果可以看出，三種斷裂螺栓試樣的室溫沖擊功均低于DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中25Cr2MoVA 的室溫性能要求。規程要求≥47 KU2 沖擊吸收功。

5 金相組織分析

對中1- 右4、中1- 右5 和中1- 右6 三條斷裂螺栓截取橫截面進行金相檢驗。圖6 為中1- 右4 螺栓橫截面金相組織，圖7 為中1- 右5 斷裂螺栓橫截面金相組織，圖8 為中1- 右6 螺栓橫截面金相組織。金相腐蝕劑為4%硝酸酒精。可以看出，取樣的3 條斷裂螺栓組織均為均勻的回火索氏體，橫截面中心位置和邊緣位置組織相同，無明顯不均勻。

6 綜合分析

對斷裂的25Cr2MoVA 試樣螺栓分別進行了宏觀形貌分析、化學成分分析、金相微觀組織分析、力學性能分析、顯微組織和斷口形貌分析，主要分析如下：

6.1 化學成分分析中，發現中1- 右4 號試樣C 含量低于標準下限，其余合金元素含量符合標準要求。

6.2 硬度試驗中，中1- 右4 號螺栓布氏硬度低于標準DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中25Cr2MoVA 材料硬度要求，中1- 右4 和中1- 右5 號螺栓硬度正常。

6.3 金相微觀組織分析中，中1- 右4、中1- 右5 和中1-右6 三個螺栓試樣組織正常，試樣橫截面中心位置和邊緣位置未見明顯的組織不均勻。

6.4 室溫力學性能分析中，所檢測的中1- 右5 和中1- 右6斷裂螺栓試樣的力學性能各指標均符合標準DL/T 439-2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》中25Cr2MoVA 材料室溫力學性能要求，而的中1- 右4 則低于標準的要求；但三種斷裂螺栓的沖擊功均低于標準要求。

6.5 斷口形貌分析中，從磨損程度判斷，中1- 右6 號螺栓磨損最為嚴重，為首斷螺栓，但由于磨損氧化導致無法對斷裂形式進行分析；中1- 右5 號螺栓磨損程度次之，但也無法對斷裂形式進行分析；中1- 右4 號螺栓磨損程度較輕，從宏觀形貌判斷符合脆性斷裂斷口形貌特征，該斷口形式也與抽檢試樣室溫沖擊功低于標準要求相符。

表2 室溫拉伸性能

圖6 中1- 右4 螺栓橫截面金相組織（a）（b）

圖7 中1- 右5 螺栓橫截面金相組織（a）（b）

圖8 中1- 右6 螺栓橫截面金相組織（a）（b）

中1- 右4 號螺栓的性能雖然低于標準的相關要求，但是從現場和分析可以看出，該螺栓為非首斷螺栓。從現場和分析可以看出，中1- 右6 號螺栓為首斷螺栓，但由于斷裂螺栓斷口磨損嚴重，已經無法判斷斷裂形式，這說明引起螺栓的斷裂的原因并非完全材質的因素。

6.6 根據東汽廠提供的圖紙資料可知，中壓1 級隔板套螺栓材質與安裝圖紙上提供的螺栓材料不符。中壓一級隔板套螺栓原設計材質為20Cr1Mo1VNbTiB（爭氣1 號鋼），按照DL/T439標準，此材料的推薦使用溫度是550℃，而25Cr2MoV 螺栓材料使用溫度是500℃。中壓1 級隔板套螺栓與原設計圖紙螺栓材質不符，材料使用等級較低。

25Cr2MoVA 材料螺栓的最高使用溫度為500℃，而中壓一級隔板套螺栓使用溫度約為530-540℃，不滿足中壓缸中壓隔板套螺栓的使用要求，不符合DL/T 715-2015《火力發電廠金屬材料選用導則》的要求。但是從該材料的使用情況可以看出，該材料已經安全穩定運行達60790 小時，期間未出現相關的失效事故，同時從材料的顯微組織可以看出，經過長達60790 小時的運行，顯微組織并未發生明顯變化，這說明在該溫度下運行時25Cr2MoVA 材料螺栓的失效的直接原因并不是錯用材質造成的。

6.7 根據現場中壓1 級隔板套和中壓1、2、3 級隔板變形量測試結果可知，中壓2 級隔板最大變形為1.28mm，中壓1 級隔板套上半最大變形量為4.92mm。隔板與隔板套發生較大的變形，導致螺栓受力狀態發生變化，螺栓斷裂與隔板套變形量有一定關系，這是引起錯用螺栓斷裂的首要原因。氣缸變形導致螺栓承受較大的附加應力，當超過螺栓材料的極限后引起中1- 右6 號螺栓的斷裂，該螺栓的斷裂又引起其它螺栓的斷裂。

因此，綜合分析可以看出，隔板套變形是造成螺栓的斷裂的主要原因。

7 結論及優化意見

7.1 隔板套變形存在明顯的變形，隔板套變形引起螺栓存在較大的附加應力是造成螺栓斷裂的主要原因。

7.2 螺栓錯用材質，螺栓實際選材等級低于圖紙要求，導致螺栓服役安全性低于設計要求。

7.3 首斷螺栓室溫沖擊功低于標準要求，成分、硬度、室溫拉伸等指標符合標準要求。

7.4 由于主要原因為隔板套變形，意見為要求汽輪機本體技術人員每次檢修認真測量隔板及隔板套變形數據并留存與下一次檢修對比，兩個檢修周期隔板及隔板套變形量之間的變化。

7.5 按照圖紙重新普查所有螺栓及其他緊固件材質，如發現與設計不符立即更換。

7.6 按照規程對所有緊固件及隔板等監督部件做更仔細的無損檢測及理化試驗，如發現異常及時更換。

發電廠是一個需要長期、穩定、安全運行的企業，認真學習各項技術，在以后的機組檢修工作中，提前發現更多的安全隱患，來為電廠的安全生產工作保駕護航。