電廠動平衡連接管法蘭螺栓斷裂原因分析

王昊

摘 要：某電廠20Cr1Mo1VNbTiB動平衡連接管法蘭螺栓在運行時發生斷裂，采用宏觀檢查、化學成分分析、力學性能試驗、金相檢驗、斷口分析以及裝配環境檢查等方法對失效螺栓進行分析。結果表明，失效螺栓的化學性能及力學性能均符合國家標準，斷口裂紋為多源斷裂，裂紋為沿晶裂紋，失效螺栓為過載斷裂，引起螺栓失效的原因主要為螺栓預緊力過大，導致螺栓長期處于高應力狀態，最終產生斷裂。

關鍵詞：螺栓;過載斷裂;力學性能;金相檢驗

中圖分類號：TF762 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0033-04

Abstract： The flange bolt of 20Cr1Mo1VNbTiB dynamic balance connecting pipe in a power plant broke during operation. The failed bolt was analyzed by means of macro inspection， chemical composition analysis， mechanical property test， metallographic inspection， fracture analysis and assembly environment inspection. The results show that the chemical and mechanical properties of the failed bolt conform to the the national standards，fracture cracks are multi-source cracks， the cracks are intergranular cracks， the failure bolt is overload fracture. The main reason for bolt failure is that the bolt preload is too large， which leads to the bolt in a high stress state for a long time and finally fracture.

Keywords： bolt;overload fracture;mechanical properties;metallographic examination

高溫緊固螺栓是火力發電廠重要的金屬監督部件，主要起緊固、密封、連接的作用。高溫緊固螺栓在工作中處于較高的溫度和拉伸應力的狀態，有時也會承受彎曲應力[1]，屬于高應力區域，一旦發生失效，將會導致設備損壞和機組停運，甚至會導致人員傷亡。近年來，因螺栓斷裂而導致發電廠事故的情況時有發生，為電廠的安全生產帶來了較大的安全隱患。為適應高溫、高應力及蒸汽氧化腐蝕的工作環境，高溫螺栓材料需要具有較高的屈服強度、足夠強的塑性和韌性以及一定的抗高溫氧化性[2-3]。20Cr1Mo1VNbTiB是我國自行研制的低合金高強度鋼，也叫做爭氣1號鋼，是一種電廠高溫螺栓用鋼，具有良好的持久強度和抗松弛性能，熱脆傾向小，缺口敏感性低，主要用于溫度低于570 ℃的位置，在火力發電廠機組中得到了廣泛應用[4-5]。某電廠于2018年10月投入運行，2021年1月在機組運行時發現高中壓外缸上半中部漏汽。經現場排查發現，蒸汽泄露的原因為動平衡連接管法蘭螺栓斷裂，造成法蘭密封不嚴，導致蒸汽泄露。為查明螺栓斷裂的原因，以便采取預防措施防止類似事件的發生，本文對斷裂螺栓進行檢驗和分析，并對類似問題提出合理化建議及預防措施。

1 試驗分析

1.1 宏觀檢查

圖1為斷裂螺栓，圖2為斷裂螺栓的斷口宏觀形貌。宏觀觀察發現，斷口處存在大量的氧化物，并且存在兩處裂紋起源，終斷區較小，斷口面未見疲勞特征。斷口處可分為裂紋源區、擴展區、剪切唇區3個區域，符合過載斷裂形貌特征。

1.2 化學分析

對失效螺栓取樣并進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知，所檢螺栓的化學成分均符合《火力發電廠高溫緊固件技術導則》（DL/T 439—2018）對20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的技術要求。

1.3 室溫力學性能

按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010），在失效螺栓上沿軸向截取拉伸試樣，試樣是2個標距為5 mm的棒狀試樣（編號1-1、1-2），在UTM5305HA/300KN型萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗。按照《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T 229—2007）和《火力發電廠高溫緊固件技術導則》（DL/T 439—2018）的要求，在失效螺栓斷口附近沿軸向截取2個尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的夏比沖擊試樣（編號1-3、1-4），加工成U形缺口，在PTM2302-D型沖擊試驗機上進行室溫沖擊試驗，試驗結果如表2所示。由表2可知，失效螺栓力學性能符合國家標準要求。

按照《金屬材料布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》（GB/T 231.1—2018），采用320HBS-3000數顯布氏硬度計對失效螺栓斷口附近橫截面沿徑向從心部至表面進行硬度測試，螺栓硬度測試結果如表3所示。由表3可知，螺栓硬度值從心部至表面逐漸增加，失效螺栓硬度符合國家標準要求。

1.4 金相檢驗

將失效螺栓沿中間面及裂紋起源處切開（見圖3），分別進行金相檢查及斷口形貌觀察。

將試樣按照《火電廠金相檢驗與評定技術導則》（DL/T 884—2019）的方法經120號砂紙粗磨，去除表面打磨痕跡，然后經240、360、480、600、1 000號砂紙進行反復細磨后，采用MoPao3S-C型拋光機進行拋光。拋光后的試樣采用4%硝酸酒精進行腐蝕，并用酒精進行清洗，在Leica DMi8 C型徠卡倒置式顯微鏡上觀察顯微組織形貌，結果如圖4所示。由圖4可知，螺栓顯微組織為回火貝氏體，組織未見異常，斷口處表面已被氧化，同時在靠近斷口的第二齒螺牙根部的R角處發現一處裂紋。對該區域進行顯微觀察，金相檢查結果如圖5所示。從圖5可知，該裂紋為沿晶裂紋。

1.5 斷口分析

將螺栓斷口表面用20%鹽酸清洗，去除表面氧化層，露出金屬斷口形貌，并利用掃描電子顯微鏡進行觀察，觀察結果如圖6所示。螺栓的裂紋源區及裂紋擴展區均為準解理斷口，瞬斷區可以觀察到韌窩的存在。

1.6 現場裝配調查

對斷裂螺栓進行現場檢查，并觀察裝配過程發現，斷裂螺栓位于狹小空間內，工人在現場安裝時未使用帶有定力功能的安裝設備，并且采用一般的扳手進行裝配，用力大小依靠經驗控制，容易造成螺栓預緊力過大，使螺栓在運行時承受較大的應力。

2 綜合分析

由試驗結果可知，螺栓的金相組織未見異常，拉伸試驗、沖擊試驗、硬度檢測均符合行業標準;通過檢查螺栓的斷口形貌發現，斷口表面均已被氧化，裂紋源位于螺紋的R角根部處。斷口面存在2處裂紋起源，終斷區較小，斷口下一齒螺紋根部存在微裂紋，裂紋呈沿晶斷裂特征，屬于多源斷裂，瞬斷區有觀察到韌窩的存在，斷口面未見疲勞特征。通過觀察斷口可知，斷口區域分為兩處裂紋源區，即擴散區和剪切唇區，符合過載斷裂的三要素。綜合分析，該斷口屬于過載斷裂[6-10]。

過載斷裂原因為螺栓已運行多年，長期服役于530 ℃工作環境下，加之螺栓預緊力偏大，使螺栓長期處于高應力狀態下服役，較高的應力集中在螺紋根部，最終發生沿晶開裂。

3 結語

螺栓斷裂為過載斷裂，引起螺栓斷裂的原因與螺栓長期處于高溫狀態及過大的螺栓預緊力有關。螺栓的質量正常，力學性能及組織性能符合國家相關技術指標，斷裂與原材料本身無關。

建議嚴格控制螺栓的安裝過程，現場操作時控制施加的預緊力，規范操作方法，定期標定力矩扳手，以減少誤差值，確保力矩扳手的準確性和穩定性。檢修過程中對螺栓進行100%超聲波檢驗和預緊力檢查，若發現問題及時處理。

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