程 翔， 王若民， 陳國宏， 宋理彬

(1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司， 安徽 合肥 230601； 2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601； 3.安徽池州九華發(fā)電有限公司， 安徽 池州 247100)

0 引言

汽輪機作為火電機組的核心部件之一，其正常運行決定著機組的安全性、可靠性及經(jīng)濟性。而汽輪機中的高壓調(diào)門螺栓作為其緊固件，在保證汽缸中分面氣密性上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，20Cr1Mo1VTiB鋼作為國產(chǎn)高溫螺栓用鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能，然而近幾年來，20Cr1Mo1VTiB高溫螺栓的斷裂事件常有發(fā)生，相關(guān)研究人員對20Cr1Mo1VTiB高溫螺栓斷裂失效分析做了大量的研究工作[1～3]。近年來因高壓調(diào)門螺栓斷裂失效而引起機組非計劃停運的事故時有發(fā)生，從而給廠方帶來較大的經(jīng)濟損失，因而研究高壓調(diào)門螺栓斷裂失效原因有利于廠方有效預(yù)防其事故發(fā)生，減少經(jīng)濟損失。本文針對某300MW機組汽輪機高壓調(diào)門用20Cr1Mo1VTiB螺栓的斷裂原因進(jìn)行研究，并在備品中隨機選取1只相同材質(zhì)螺栓對比試驗分析，研究其斷裂原因及機理。

1 宏觀檢查

該高壓調(diào)門螺栓是在運行過程中發(fā)生斷裂的，螺栓材料為20Cr1Mo1VTiB，規(guī)格為M33×248 mm，該機組累計運行8萬個小時，已經(jīng)歷3個A級檢修，其高壓調(diào)門螺栓未曾更換。對斷裂螺栓(2根，分別編號為1號、2號)及備品螺栓(1根，編號為3號)進(jìn)行宏觀檢查，備品螺栓外觀正常，無碰傷痕跡，斷裂螺栓的宏觀及斷口照片如圖1所示：

(a為1號螺栓，b為2號螺栓)圖1 斷裂螺栓的宏觀及斷口形貌圖片

從圖中可以看出，1號、2號螺栓表面存在有一定程度的氧化及傷痕，2根螺栓的斷裂位置基本相同，均在螺栓一端的第一條牙絲槽附近發(fā)生斷裂。從螺栓的斷口形貌觀察，斷口形貌特征基本相同，都由三部分組成，即：裂紋的萌生區(qū)(1區(qū))、裂紋的擴展區(qū)(2區(qū))、瞬時斷裂區(qū)(3區(qū))。且這三部分在螺栓斷口上的位置、走勢及所占區(qū)域的大小比例也是相似的。裂紋的萌生區(qū)位于螺栓的表面層，即斷口的疲勞花樣放射源的中心點附近區(qū)域，表面層范圍較大，約占螺栓外圓周的60%左右，該處由于應(yīng)力交變，斷面摩擦而光亮，存在有加工硬化，隨著應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力大小的不同，從而存在一處或者多處萌生裂紋。

裂紋的擴展區(qū)為圖中的“疲勞輝紋區(qū)”，也稱“沙灘花樣區(qū)”或“貝殼條紋區(qū)”，是裂紋在應(yīng)力作用下擴展留下的痕跡，當(dāng)微裂紋在螺栓的表面層形成后，即會立即進(jìn)入擴展階段，一是其沿著最大剪切應(yīng)力的滑移平面向前擴展，這使得其表面存在有很多的微裂紋，同時這些裂紋的大多數(shù)較早地停止了擴展，只有少數(shù)的幾個可以延伸起來，但擴展速率比較緩慢；隨著裂紋長度的增加，裂紋的擴展方向轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力方向垂直，這時通常只有一個裂紋在擴展。微裂紋可以由于裂紋的萌生和擴展是在漫長的時間內(nèi)進(jìn)行的。當(dāng)截面剩余面積小到不足以承受負(fù)荷時，即發(fā)生瞬時斷裂。3區(qū)域即為瞬時斷裂區(qū),分析說明螺栓的斷裂方式及失效原因是相同的，都屬于低負(fù)荷疲勞斷裂。

2 化學(xué)成分分析

用全定量光譜儀對螺栓化學(xué)成分進(jìn)行檢測分析，檢驗結(jié)果見表1，從表中可以看出，斷裂螺栓及備品螺栓的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)值[4]范圍。

表1 螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%)

3 金相檢驗

20Cr1Mo1VTiB為貝氏體型熱強鋼，其正常金相組織為：回火索氏體+少量碳化物、氮化物、硼化物及金屬間化合物。碳化物中的VC主要彌散分布在基體內(nèi)，棒狀的TiC沿晶分布，同時Cr、Mo等合金元素以金屬間化合物的形式固溶在基體中。

依據(jù)DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》對1號、2號和3號螺栓進(jìn)行金相檢驗，截取斷面附近的樣品，磨制拋光，采用3%硝酸酒精溶液腐蝕，置于德國 Axio-observer AIM 金相顯微鏡下觀察，下圖所示為螺栓的拋光態(tài)圖片和金相組織圖片。

(a.1號螺栓拋光態(tài)100×；b.2號螺栓拋光態(tài)100×；c.1號螺栓金相組織1000×；d.2號螺栓金相組織1000×；e.3號螺栓金相組織1000×)圖2 螺栓的拋光態(tài)和金相組織照片

從圖2中觀察，圖2-a，2-b分別為1號、2號螺栓拋光態(tài)下的低倍組織照片，這兩只斷裂螺栓低倍組織較均勻，夾雜物含量少，其夾雜物等級符合GB/T 20410-2006《渦輪機高溫螺栓用鋼》中對于20Cr1Mo1VTiB材質(zhì)非金屬夾雜物的規(guī)定。

圖2-a，2-b，2-c分別為1號、2號和3號螺栓(1000倍下)的金相組織照片，金相組織均為回火索氏體組織，基體中均分布有碳化物。其中1號、2號螺栓金相組織的晶界上及基體中析出顆粒狀碳化物，3號螺柱金相組織的晶界上碳化物極少，基體中存在有碳化物，對比可以看出，1號、2號螺栓金相組織基體中及晶界上的碳化物的尺寸及數(shù)量均大于3號螺栓的。

4 硬度檢驗

依據(jù)GB/T 231.1-2009《金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》[5]對螺栓的硬度進(jìn)行試驗，采用TBH-3000MDX型布氏硬度計在金相試樣表面進(jìn)行硬度試驗，試驗條件：負(fù)荷187.5 kgf、鋼球直徑2.5 mm、負(fù)荷保持時間15 s，試驗三次，結(jié)果取平均值，試驗結(jié)果見表2。從表中可以看出，1號、2號螺栓的硬度值相當(dāng)，但均小于3號螺栓的硬度值，同時3只螺栓的硬度值均在標(biāo)準(zhǔn)[6]中對該材質(zhì)螺栓規(guī)定的硬度值范圍。

表2 螺栓的布氏硬度、力學(xué)性能試驗結(jié)果

5 力學(xué)性能檢驗

按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[7]相關(guān)要求，沿螺栓縱向采用線切割的方式加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，在JB-300C 型沖擊試驗機上測試材料的沖擊性能，試驗三次，結(jié)果取平均值，檢驗結(jié)果見表2。從表中可以看出，1號螺栓的沖擊吸收能量為30.4J，2號螺栓的沖擊吸收能量為30.0J，兩者的數(shù)值均小于標(biāo)準(zhǔn)[6]中對該材質(zhì)螺栓所規(guī)定值的最小值，不滿足標(biāo)準(zhǔn)對該材質(zhì)螺栓的要求。備品螺栓3號的沖擊吸收能量為45.2J，大于標(biāo)準(zhǔn)中對該材質(zhì)螺栓所規(guī)定值的最小值，滿足標(biāo)準(zhǔn)對該材質(zhì)螺栓的要求。

對其拉伸力學(xué)性能進(jìn)行相應(yīng)測試，將測試試樣預(yù)先加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣[8]，使用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的CMT5105型電子萬能試驗機進(jìn)行拉伸性能試驗，每類樣品試驗三次，試驗結(jié)果取平均值，測得拉伸性能數(shù)據(jù)見表2。從表中可以看出，1號、2號、3號螺栓的抗拉強度Rm、斷后延長率A等數(shù)值均大于標(biāo)準(zhǔn)中對材質(zhì)螺栓所規(guī)定的最小值，滿足標(biāo)準(zhǔn)[6]對該材質(zhì)螺栓的要求。

6 結(jié)果及討論

通過對斷裂的1號、2號螺栓及備品3號螺栓經(jīng)過分析與檢測工作，螺栓金相組織均為回火索氏體組織，金相組織中無明顯夾雜物分布，對比分析，1號、2號螺栓(斷裂螺栓)金相組織中晶界及基體中的碳化物的含量及尺寸均大于3號螺栓(備品螺栓)，3號螺栓金相組織中的碳化物分布、數(shù)量及大小均正常，碳化物的大量析出預(yù)示著組織出現(xiàn)一定程度的老化現(xiàn)象，該1號、2號螺栓均已累計運行了8萬個小時，其組織存在有一定程度的老化現(xiàn)象。硬度方面，3只螺栓的硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)中對該材質(zhì)螺栓的規(guī)定要求，斷裂螺栓的硬度值小于備品螺栓的硬度值。沖擊性能方面，1號螺栓、2號螺栓(斷裂螺栓)的沖擊吸收能量值不滿足標(biāo)準(zhǔn)對該材質(zhì)螺栓的要求，由于這兩只螺栓組織存在一定程度的老化，碳化物的析出及金相組織粗大，從而導(dǎo)致沖擊韌性下降。拉伸性能方面，3只螺栓的抗拉強度Rm、斷后延長率A等數(shù)值均滿足標(biāo)準(zhǔn)對該材質(zhì)螺栓的要求，但同時1號、2號螺栓的抗拉強度Rm、斷后延長率A數(shù)值小于3號螺栓，斷裂螺栓的拉伸性能低于備品螺栓。

螺栓的應(yīng)力是不均勻分布的，緊力由螺栓通過螺紋逐漸傳遞給螺母，靠近螺母支承面的第1圈螺栓所承受的載荷最大(最大值約占全部載荷的50%左右)，其中第1圈到第3圈發(fā)生斷裂的可能性最大[9,10]。從螺栓斷裂斷口形貌來看，該螺栓屬于低負(fù)荷、拉伸疲勞斷裂。從材料的金相分析可知，高溫服役過程中，材料內(nèi)部的滲碳體和低熔點的碳化物脫碳分解，強化合金元素向晶界聚集碳化并與高熔點的碳化物聚合在一起，形成脆性相；在拉伸應(yīng)力的作用下，裂紋最先在螺栓近表面存在缺陷處萌生，然后沿晶界擴展，當(dāng)擴展到剩余截面積不足以承受外加載荷時發(fā)生瞬時斷裂。因此，引起螺栓斷裂的原因是螺栓脆化后在螺牙處應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞斷裂。