汽輪機螺栓斷裂失效分析

王華剛

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

2018 年5 月，某石化公司熱電廠汽機車間，1號蒸汽汽輪機（型號：EHNG50/63/0）的1 個汽缸緊固螺栓（雙頭螺柱，編號6#）發生斷裂（圖1）。1號蒸汽汽輪機于1986 年投入使用，30 多年里累計運行約20 萬小時，累計啟停機次數約200 次，蒸汽溫度535 ℃。斷裂螺栓規格M90×6 mm×515 mm，材料25Cr2Mo1VA，螺栓采用電加熱形式拆裝。2011 年8 月汽輪機檢修時拆裝過螺帽（螺栓未拆），并且現場里氏硬度計檢測螺栓硬度為275 HBW，2011 年運行至2018 年未再進行檢修，發現螺栓斷裂。為了查明汽輪機螺栓斷裂的原因，針對斷裂螺栓進行了各種檢測和失效分析，以便采取相應的技術措施，消除類似的安全隱患。

圖1 機組解體后

1 螺栓宏觀檢查分析

觀察螺栓斷裂形貌，截取6 個斷口試樣，試樣用超聲波清洗干凈，其中3 個進行含緩蝕劑酸洗除銹，用體視顯微鏡觀察分析的螺栓斷口形貌特征：①螺栓斷裂位置在其一端螺紋尾部，該處也是螺栓受力最大的位置（圖2）；②螺栓斷口與軸線垂直，斷口表面比較平整，基本無塑性變形，呈現出脆性斷裂特點（圖3）。

圖2 斷裂螺栓的側面形貌

圖3 斷裂螺栓的斷口形貌

螺栓的整個斷口分裂紋起始源區、擴展區和最后瞬斷區3個區域。螺栓裂紋起始源區位于斷口一側的螺紋根部，向另一側擴展至邊緣后斷裂。這說明螺栓承受的軸向載荷圓周不對稱，在裂紋源區一側高于另一側，即螺栓承受偏心彎矩作用。

斷口源區的另一側瞬斷區有一塊高溫加熱影響區域，斷口側面形貌也顯示出4 cm 長度的類似于焊接或者氣割的螺紋損傷痕跡。根據車間了解，本次拆卸并未對螺栓進行焊接或者氣割，應該是以前拆裝時造成的。酸洗后的螺栓斷口形貌既顯示出宏觀裂紋擴展時形成的條帶，又顯示出低倍微觀的小麻坑，說明螺栓斷裂可能與應力腐蝕、高溫疲勞、高溫蠕變等失效機理有關。

2 螺栓斷口微觀檢測分析

將6 個斷口試樣用離子濺射儀噴金導電處理，用掃描電鏡分析6 個斷口微觀形貌，用能譜儀檢測3 個未酸洗試樣的斷口表面腐蝕產物成分（圖4）。螺栓的未酸洗斷口表面氧化腐蝕嚴重，覆蓋一層較厚的腐蝕層，遮蓋了原始斷口表面的微觀形貌，舊擴展區斷口表面比較平坦，蠕變韌窩較淺；而新擴展區斷口表面布滿了大大小小的蠕變韌窩。螺栓的未酸洗斷口表面的腐蝕產物主要為鐵的氧化物，未發現S、Cl 等其它應力腐蝕敏感元素，說明螺栓不會發生應力腐蝕開裂。

圖4 未酸洗試樣的源區斷口微觀形貌（50 倍）

經過酸洗以后，露出螺栓的原始斷口微觀形貌，螺栓的舊擴展區斷口微觀形貌為準解理特征，高溫蠕變韌窩特征不明顯，說明螺栓萌生裂紋以及擴展初始階段，早期啟停機產生的疲勞占據主導因素，高溫蠕變起到輔助作用。螺栓的新擴展區斷口微觀形貌為韌窩孔洞，準解理形貌基本消失，說明螺栓裂紋擴展后期，有效承載截面積減小，高溫蠕變起主導作用，進入一個快速擴展的階段。

3 螺栓硬度檢測分析

在螺栓上截取5 個試件，用布氏硬度計檢測硬度，每個試件測3 組硬度值（表1）。5 個螺栓試件的硬度總平均值為279 HBW，按照標準DL/T 439—2006，螺栓材料25Cr2Mo1V 的硬度范圍為248～293 HBW，螺栓硬度雖然偏高，但仍在技術要求范圍內，符合硬度要求。

表1 螺栓的硬度檢測結果HBW

4 螺栓沖擊功檢測與斷口分析

按照標準GB/T 229—2007，在螺栓上截取3 個U 形缺口沖擊 試 件（10 mm ×10 mm ×55 mm），利用擺錘沖擊試驗機，測試螺栓試件的沖擊功Ak。對比相關標準DL/T 439—2006，螺栓材料25Cr2Mo1V 的沖擊功Ak≥47 J。螺栓試件的沖擊功Ak 檢測值最大為16.0 J，最小為8.0 J，平均值為8.33 J，遠低于標準要求的47 J，顯然螺栓的脆性很大。沖擊試驗后的螺栓試件被完全沖斷，試件斷口無塑性變形痕跡，顯示出脆性斷裂特征。沖擊試件的斷口微觀形貌為脆性的解理類型，還有一些沿晶開裂特征，這說明螺栓材料脆性很大。沖擊試件的斷口里發現了一些帶狀非金屬夾雜物，其由很多個小顆粒夾雜物組成，這種類型夾雜物大大削弱了材料強度，增大材料脆性。

5 分析結論

（1）根據螺栓的斷口宏觀形貌和微觀形貌特征判斷，汽輪機多年里的上百次啟停機疲勞導致螺栓產生裂紋；隨后裂紋的前期緩慢擴展階段（對應斷口舊擴展區）以疲勞為主，蠕變為輔；裂紋的后期快速擴展階段（對應斷口新擴展區）完全以蠕變為主，所以，螺栓的斷裂失效性質為疲勞+蠕變的復合類型。

（2）螺栓材料中含有較多的帶狀（B 類2.5 級）非金屬夾雜物，不但會減低螺栓的承載強度，而且會增大螺栓的脆性，這是造成螺栓斷裂的主要原因之一。螺栓處于500 ℃高溫環境，恰好處于合金鋼第二類（高溫）回火脆性（450～650 ℃）范圍，螺栓長期（20 萬小時）使用造成其逐漸產生回火脆性，這也是造成螺栓斷裂的主要原因之一。螺栓斷口顯示其承受偏心載荷，造成緊固載荷偏心的可能性有：螺母端面不平造成緊固時偏心，螺栓以前拆裝時加熱產生輕微彎曲。偏心載荷是造成螺栓斷裂的次要原因。

（3）針對以上失效原因，采取了再次抽查其他規格未斷汽缸螺栓，檢測其沖擊韌性和金相組織，對沖擊功很低并且組織中夾雜物較少的螺栓，重新進行熱處理以消除回火脆性；對螺栓沖擊功很低并且組織中夾雜物過多的螺栓，進行報廢并更換新的汽缸螺栓，這些措施保證了汽缸螺栓未再發生斷裂事故。