20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)螺栓性能可靠性分析及建議

張方明，彭以超，樓玉民，黃友橋

（1.浙江浙能電力工程技術(shù)有限公司，浙江 寧波315103；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州311121；3.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 金華321100）

0 引 言

汽輪機(jī)是火力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，其正常運行決定著機(jī)組的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。汽輪機(jī)螺栓作為汽輪機(jī)的緊固件，在保證汽缸中分面連接可靠性上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為適應(yīng)高溫、高應(yīng)力及蒸汽氧化腐蝕的工作環(huán)境，低合金耐熱鋼、12%Cr鐵素體不銹鋼、鎳基合金等是制造汽輪機(jī)高溫螺栓主要材料[1]。20Cr1Mo1VNbTiB是我國自行研制的高溫螺栓用鋼，作為一種貝氏體高溫?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)用于制造工作溫度不超過570℃的高溫螺栓。近年國內(nèi)火電機(jī)組事故統(tǒng)計表明，汽輪機(jī)螺栓失效斷裂導(dǎo)致電廠機(jī)組非計劃停運的事故時有發(fā)生，造成較大經(jīng)濟(jì)損失[2，3]。本文針對某電廠汽輪機(jī)用20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的斷裂失效原因進(jìn)行總結(jié)，全面分析其斷裂原因及機(jī)理，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。

2018年10月8日，A電廠4號機(jī)C修期間，解體高壓調(diào)閥發(fā)現(xiàn)B側(cè)高壓調(diào)閥閥蓋螺栓斷裂，數(shù)量1枚，現(xiàn)場照片如圖1所示。螺栓規(guī)格：3”（GH）387；材質(zhì)：20Cr1Mo1VNbTiB（即“爭氣1號”）。介質(zhì)溫度569℃，壓力22.5MPa，歷次檢修情況：（1）2012年9月，B修，高壓調(diào)閥閥蓋螺栓因沖擊韌性試驗不合格，更換全部閥蓋螺栓共計44枚；（2）2015年4月，A修，解體A、B、C、D高調(diào)閥，螺栓檢查未見異常。

圖1 某電廠4號機(jī)高壓調(diào)閥閥蓋螺栓斷裂

2016年6月20日，B電廠2號機(jī)B修后進(jìn)行甩負(fù)荷試驗后發(fā)現(xiàn)2號高壓調(diào)門閥蓋處有漏汽現(xiàn)象。介質(zhì)溫度538℃，壓力16.7 MPa，螺栓材質(zhì)為20Cr1Mo1VNbTiB，規(guī)格為M33 mm×3 mm×250 mm。解體后發(fā)現(xiàn)2號高壓調(diào)門閥蓋處有5顆螺栓發(fā)生斷裂（總共10顆，見圖2），斷裂位置位于螺栓種入閥體的螺紋根部，斷裂的5顆螺栓位置均靠外側(cè)，緊固時易發(fā)生過緊情況。2號高調(diào)門螺栓在2009年4月2號機(jī)組B修中更換為20Cr1Mo1VNbTiB，2012年檢修時進(jìn)行過單側(cè)檢測合格。

圖2 B電廠2號機(jī)高調(diào)門20Cr1Mo1VNbTiB螺栓斷裂

1 失效分析

以A電廠4號機(jī)高壓調(diào)閥閥蓋螺栓斷裂為例進(jìn)行失效分析。

1.1 化學(xué)成分分析

使用直讀光譜儀對斷裂高調(diào)閥螺栓進(jìn)行半定量能譜分析，結(jié)果如表1所示。可見螺栓成分基本滿足DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》關(guān)于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表1 試樣能譜分析結(jié)果(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%)

1.2 斷口分析

1.2.1 宏觀斷口分析

圖3為A電廠4號機(jī)高調(diào)門螺栓斷口宏觀形貌，可以看出，斷口存在明顯的點狀裂紋源，裂紋源位于螺紋牙根部位置，并分別沿著兩側(cè)擴(kuò)展直至發(fā)生斷裂。斷口“人”字紋理明顯，說明斷口裂紋發(fā)展較為迅速。

1.2.2 顯微斷口分析

對圖3中裂紋源附近斷口進(jìn)行掃描電鏡顯微形貌分析，結(jié)果如圖4所示。可以看出，顯微斷口并不平滑，呈現(xiàn)凹凸起伏狀狀，也說明斷面擴(kuò)展時間較短。斷口表面覆蓋了一層較厚的氧化膜，因此斷口在高溫下已經(jīng)保持了較長時間，非此次停機(jī)拆解過程中造成。

圖3 A電廠4號機(jī)高調(diào)門螺栓斷口宏觀形貌

圖4 裂紋源附近斷口顯微形貌

1.3 金相組織分析

1.3.1 低倍金相組織

鑒于20Cr1Mo1VNbTiB貝氏體耐熱鋼對熱處理比較敏感，容易出現(xiàn)肉眼可見晶粒。因此本次試驗對整個螺栓的橫截面進(jìn)行打磨、拋光和侵蝕，觀察螺栓的低倍組織（見圖5）。可以看出，整個橫截面無肉眼可見的宏觀粗晶（平均直徑＞0.5 mm），整體晶粒度分布較為均勻。

圖5 A電廠4號機(jī)高調(diào)門螺栓橫截面低倍組織

1.3.2 金相顯微組織

對斷裂螺栓橫截面外側(cè)、中部和內(nèi)側(cè)（中心孔邊緣）分別進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果如圖6所示。可見從外側(cè)到內(nèi)側(cè)，高倍金相組織下晶粒度也正常均勻分布，無明顯可見粗晶出現(xiàn)。金相組織為粒狀貝氏體。

圖6 高調(diào)門螺栓金相組織

1.4 力學(xué)分析

1.4.1 硬度分析

對A電廠4號機(jī)高調(diào)門螺栓橫截面不同區(qū)域（外側(cè)、中心、內(nèi)側(cè)）進(jìn)行布氏硬度分析，硬度平均值均在280 HBW以上，如表2所示。根據(jù)DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定20Cr1Mo1VNbTiB（爭氣1號）硬度值為252～302 HBW，所測數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 A電廠4號機(jī)高調(diào)門螺栓橫截面不同區(qū)域布氏硬度值

1.4.2 拉伸及沖擊性能分析

對A電廠4號機(jī)3顆高調(diào)門螺栓（一根斷裂螺栓+兩顆完好螺栓）分別進(jìn)行常溫力學(xué)拉伸試驗和常溫沖擊試驗，結(jié)果如表3所示。DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定20Cr1Mo1VNbTiB（爭氣1號）屈服強(qiáng)度≥735 MPa，抗拉強(qiáng)度≥834 MPa，斷后伸長率≥12%，吸收沖擊功KU2≥39 J。

因此，從表3可知，一根斷裂螺栓+一顆完好螺栓的吸收沖擊功不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是斷裂螺栓，吸收沖擊功平均值僅有10 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的≥39 J，推測這是導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂的主要原因。三根螺栓的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率等皆滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 A電廠4號機(jī)高調(diào)門螺栓常溫拉伸及常溫沖擊實驗數(shù)據(jù)

2 結(jié) 論

（1）螺栓整體低倍晶粒度均勻，無肉眼可見明顯粗晶；金相組織從外到內(nèi)均為粒狀貝氏體，無明顯異常；斷裂螺栓和作為對比的兩顆完好螺栓的常規(guī)拉伸性能和硬度也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）螺栓斷口存在明顯的點狀裂紋源，位于螺紋牙根部應(yīng)力集中位置；斷口擴(kuò)展過程“人”字紋理明顯，表明裂紋擴(kuò)展較為迅速。

（3）造成20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)高調(diào)門螺栓斷裂的主要原因是該螺栓吸收沖擊功僅有10 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的≥39 J，在受到?jīng)_擊載荷易在應(yīng)力最大點萌發(fā)裂紋，并發(fā)生瞬時斷裂。

3 討論與建議

3.1 討 論

20Cr1Mo1VNbTiB是我國自行研發(fā)的火力發(fā)電廠汽輪機(jī)常用螺栓材質(zhì)，具有良好高溫性能的低合金高強(qiáng)度鋼。該材質(zhì)通過添加Cr、Mo、V等合金元素用來彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化，同時添加了細(xì)化晶粒和強(qiáng)化晶界用的Nb、Ti、B等元素，大大減緩了高溫下原子在晶界上的擴(kuò)散過程，阻止碳化物在晶界的聚集長大，因而抑制了晶界微觀裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而使持久強(qiáng)度、蠕變極限、抗松弛性能、持久塑性、缺口敏感性、組織穩(wěn)定性等都得以大幅度提高[4]。該材質(zhì)主要用于制造工作溫度在570℃以下的螺栓，這種螺栓供貨態(tài)一般為調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)熱處理工藝為：淬火（1020～1040℃）+高溫回火（720～740℃），回火時間不小于6 h，調(diào)質(zhì)后的金相組織為回火貝氏體（F）+可能的少量珠光體（P）[5-6]。

然而，正是由于該材料使用較多種合金元素進(jìn)行多元素復(fù)合強(qiáng)化，導(dǎo)致其具有極嚴(yán)重的組織遺傳性。當(dāng)熱加工過程曾發(fā)生過熱（1100℃～1200℃）以上，或鋼材多次加熱至（1000℃～1050℃）以上后快速冷卻，或粗晶原料慢速加熱至任何奧氏體化溫度，淬火或回火時的溫度和時間沒按要求處理，均會造成最終成品的粗晶現(xiàn)象。所謂粗晶（或套晶）（如圖7所示），就是在低倍試驗中所出現(xiàn)的肉眼可見的、在不同角度光線下呈現(xiàn)不同色澤的光亮度的多邊形顆粒斑塊，也就是程度不同的混晶，晶粒粗大將導(dǎo)致強(qiáng)韌性能降低，降低螺栓的長期高溫服役壽命[7]。

圖7 嚴(yán)重粗晶

20Cr1Mo1VNbTiB鋼對調(diào)質(zhì)處理工藝要求較高，需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。當(dāng)工作斷面尺寸較大時，芯部吸收沖擊能量往往有較大的波動，以至影響力學(xué)性能。為防止產(chǎn)生粗晶，應(yīng)盡量采用較低的鍛造加熱溫度、嚴(yán)格控制終鍛溫度，并保證有足夠的鍛造比。當(dāng)鋼材硬度大于260 HB時，晶粒越粗大，吸收沖擊能量越低；在相同晶粒級別下，硬度越高，吸收沖擊能量越低。

同時，安裝螺栓時的預(yù)緊力過大和機(jī)械疲勞也會加劇高溫螺栓的失效，尤其當(dāng)沖擊韌性較低時，會加劇原始裂紋的形成[8]。而一旦微裂紋萌生后，由于韌性的降低導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展速度加快，最后直接形成了脆性斷裂[9]。

因此，避免使用帶有粗晶（或套晶）和低吸收沖擊功的螺栓是防止斷裂事故發(fā)生的關(guān)鍵。

3.2 建 議

3.2.1 在役螺栓檢驗與監(jiān)督

（1）每次檢修時，加強(qiáng)對不同部位在役20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的無損探傷（如UT、PT）及其外觀檢查，對發(fā)現(xiàn)表面損傷的螺栓建議予以更換（表面損傷極易成為裂紋起源造成快速失效）。

（2）嚴(yán)格執(zhí)行DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中針對20Cr1Mo1VNbTiB螺栓檢驗的相關(guān)增加條款。機(jī)組每次A級檢修，應(yīng)對20Cr1Mo1VNbTiB（爭氣1號）、20Cr1Mo1VTiB（爭氣2號）鋼制螺栓進(jìn)行100%的硬度檢査、20%的金相組織抽査；同時對硬度高于DL/T 439中規(guī)定上限的螺栓也應(yīng)進(jìn)行金相檢査，一旦發(fā)現(xiàn)晶粒度粗于5級，應(yīng)予以更換。

3.2.2 新螺栓檢驗與監(jiān)督

（1）建議電廠在對新更換的高溫螺栓進(jìn)行訂貨或簽訂技術(shù)協(xié)議之前，對螺栓的檢驗方法及比例等提出具體要求并將其列到技術(shù)協(xié)議里面，避免入庫前一次檢驗合格率低問題的發(fā)生；同時，也減少了由于檢驗結(jié)果不合格產(chǎn)生的與制造廠之間的互相扯皮現(xiàn)象。嚴(yán)格審查廠家提供的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗單（包括化學(xué)成分、低倍和高倍組織、力學(xué)性能）。

（2）對20Cr1Mo1VNbTiB新螺栓加強(qiáng)入廠檢驗，螺紋表面應(yīng)光滑，不應(yīng)有凹坑、裂紋、銹蝕、毛刺和其他會引起應(yīng)力集中的缺陷；必須進(jìn)行光譜檢驗、硬度檢驗和超聲檢測，并在端面逐根進(jìn)行晶粒級別評定檢驗[10]。

（3）隨機(jī)挑選2～3顆螺栓送至檢驗機(jī)構(gòu)進(jìn)行解剖分析，主要檢驗晶粒尺寸和吸收沖擊功性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.3 螺栓材質(zhì)升級改造

20Cr1Mo1VNbTiB自從在國內(nèi)投入服役至今，一直存在粗晶、混晶、沖擊韌性嚴(yán)重下降的問題，造成大量20Cr1Mo1VNbTiB汽輪機(jī)螺栓失效斷裂，甚至導(dǎo)致電廠機(jī)組非計劃停運，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，可以考慮對使用該材質(zhì)的螺栓進(jìn)行升級改造，替換成匹配性好、不易斷裂的材質(zhì)進(jìn)行替換。

汽輪機(jī)螺栓用鋼除了應(yīng)具有良好的室溫綜合機(jī)械性能外，還必須具備高的熱強(qiáng)性、高溫下抗應(yīng)力松弛能力、持久強(qiáng)度及時效穩(wěn)定性等等。由于不同材料的強(qiáng)韌性能、抗松弛性能、抗氧化性、膨脹系數(shù)等均不同，需要考慮替代材料與本體是否匹配。另外，替換材料要求具有良好的抗氧化性、低的缺口敏感性和熱脆性。汽輪機(jī)在運行過程中要求部件緊密結(jié)合，螺栓材料的高熱膨脹系數(shù)會降低密封性，因此，低膨脹性能比較重要。

為了驗證替換材質(zhì)能否滿足實際的使用要求，需要以強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行工況參數(shù)獲取、選材、確定預(yù)緊力、設(shè)計緊固件排布及尺寸、緊固件受力分析、各種工況下強(qiáng)度校核（考慮松弛影響）。如有必要，可對汽輪機(jī)（或閥體、法蘭）和螺栓進(jìn)行整體有限元建模進(jìn)行應(yīng)力分析計算。

螺栓材料替換升級應(yīng)符合DL/T 438-2016和DL/T 439-2018中相關(guān)條款的要求：

（1）DL/T 438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》5.7條則規(guī)定，材料代用原則按下述條款執(zhí)行：

1）選用代用材料時，應(yīng)選化學(xué)成分、設(shè)計性能和工藝性能相當(dāng)或略優(yōu)者，應(yīng)保證在使用條件下各項性能指標(biāo)均不低于設(shè)計要求。若代用材料工藝性能不同于設(shè)計材料，應(yīng)經(jīng)工藝評定驗證后方可使用。

2）機(jī)組檢修中部件更換使用代用材料時，應(yīng)征得金屬技術(shù)監(jiān)督專責(zé)工程師的同意，并經(jīng)技術(shù)主管批準(zhǔn)。

3）合金材料代用前和組裝后，應(yīng)對代用材料進(jìn)行光譜復(fù)査，確認(rèn)無誤后，方可投入運行。

4）采用代用材料后，應(yīng)做好記錄，同時應(yīng)修改相應(yīng)圖紙并在圖紙上注明。

（2）DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》3.6條則規(guī)定，同一法蘭的緊固件應(yīng)采用相同的鋼號、強(qiáng)度等級和結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)在同一法蘭上安裝不同材料、強(qiáng)度等級和結(jié)構(gòu)的緊固件時，應(yīng)考慮由不同線膨脹系數(shù)和抗松弛性能引起的影響。