某電廠高中壓缸高溫螺栓斷裂的原因

王芬玲, 王天劍, 李清松, 劉嘉偉, 裴玉冰

(東方汽輪機有限公司, 德陽 618000)

進入21世紀后，我國經濟高速發展，同時也面臨著能源緊缺與環境污染等問題，提高能源利用率和能量轉化效率的最有效手段就是提高裝置的運行參數[1-4]。螺栓作為汽輪機汽缸、管道法蘭、各種閥門等使用的關鍵零件，不僅在結合面上承受著防漏氣所施加的初始預緊彈性應力，還承受著高溫運行及機組啟停過程中產生的各種靜、動應力，使螺栓在運行過程中易出現蠕變損傷[5-9]。

某電廠運行1.5×105h后，在檢修過程中發現，高中壓缸高溫螺栓發生斷裂。筆者通過化學成分分析、力學性能試驗、斷口分析、顯微組織觀察和能譜分析等方法，對螺栓斷裂的原因進行分析，并提出應對措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該電廠高中壓缸由74支螺栓緊固，采用規格為φ120 mm×1 530 mm的雙頭螺柱，設計工作溫度為537 ℃，螺栓材料為20Cr1Mo1VNbTiB鋼。該雙頭螺栓的螺紋長度約為180 mm，螺栓的斷裂位置位于螺紋長90 mm處，如圖1a)所示。由圖1b)可見：螺栓斷口平整，斷口被氧化后呈灰黑色，螺紋斷面垂直于螺栓軸向；從裂紋擴展的放射狀條紋特征來看，裂紋源位于外螺紋根部，裂紋從螺栓外表面向心部擴展，裂紋源部分區域因磨損而被破壞，瞬斷區位于螺栓中心圓孔處。

圖1 螺栓斷裂位置及斷口表面的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology fracture position a) and fracture surface b) of bolt

1.2 力學性能試驗

斷裂螺栓的化學成分滿足標準要求，為全面分析斷裂螺栓的力學性能，在螺栓近斷口處(1號試樣)以及螺柱上(2號試樣)分別截取試樣，進行力學]性能試驗，結果如表1所示。由表1可見，螺栓不同位置處的室溫拉伸性能、布氏硬度以及沖擊韌性均低于標準要求，沖擊韌性檢測值與標準值相差較大。

表1 力學性能檢查結果Tab.1 Mechanical property test results of titanium tubes at room temperature

1.3 斷口分析

利用掃描電鏡(SEM)觀察螺栓斷口的SEM形貌。由圖2可見：斷口中裂紋源區域呈準解理開裂和沿晶開裂的特征，可見明顯的二次裂紋；螺栓裂紋擴展區可見蜂窩狀形貌，在晶界上可見明顯的蠕變孔洞。

圖2 螺栓斷口不同位置處的SEM形貌Fig.2 SEM morphology at different positions of bolt fracture:a) crack source area; b) expansion area

1.4 金相檢驗

在螺栓斷口附近及螺栓螺柱取樣，觀察裂紋的微觀形貌。由圖3可見：在螺栓斷口附近可見沿晶界擴展的二次微裂紋以及在螺栓螺柱沿晶界擴展的微裂紋。

圖3 斷口附近和螺栓螺柱處裂紋的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of cracks near fracture a) and bolt stud b)

1.5 能譜分析

進一步放大觀察，發現組織中可見塊狀析出物，其截面呈規則的四邊形，如圖4所示。對析出物進行能譜分析，結果見表2，該析出物主要由碳、氮、鈮、鈦、釩、鐵組成，推測該析出物為氮化物。

圖4 螺栓斷口表面析出物的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of precipitates on the surface of bolt fracture

表2 析出物的能譜分析結果Tab.2 Energy spectrum analysis results ofprecipitates %

2 分析與討論

該螺栓在570 ℃以下具有較高的抗松弛性能、較高的持久強度和持久韌性，組織穩定性好。在工作溫度為500 ℃時，螺栓工作1×105h的持久強度為314 MPa。螺栓在服役過程中所受的工作載荷有以下三種：(1)冷熱緊固應力；(2)汽缸溫度分布不均引起的熱應力；(3)蒸汽進入汽缸產生的反作用力[10]。該螺栓的工作應力雖未超過螺栓的持久強度，但在汽輪機反復啟停過程中，高壓缸內外壁溫差導致熱應力的產生，這時螺栓的受力為復雜的熱應力與預緊力的疊加[11]。

該螺栓在電廠服役長達1.5×105h，設計工作溫度為537 ℃，在長期高溫和應力作用下，螺栓已經發生蠕變，性能逐漸衰退，尤其是韌性下降明顯，螺栓外螺紋根部產生應力集中，并在此處形成裂紋源。隨著運行時間的延長，在晶界上形成了蠕變孔洞，孔洞逐漸長大，裂紋源沿晶界擴展，最終導致螺栓斷裂。

3 結論

(1) 該螺栓斷裂的主要原因是：螺栓在長期高溫和復雜應力作用下，局部晶界處發生蠕變，材料性能衰退，在機組運行過程中裂紋在蠕變處萌生，并沿晶界擴展，最終導致螺栓斷裂。

(2) 建議加強對高溫螺栓在檢修過程中的無損檢驗，開展螺栓的現場金相檢驗和硬度試驗。