摘 要:某火力發(fā)電廠汽輪機用２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高溫緊固螺栓在安裝時發(fā)生斷裂.通過 宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、金相檢驗、斷口分析、力學(xué)性能測試等方法對螺栓斷裂的原因進行了分 析.結(jié)果表明:高溫緊固螺栓材料的冶煉工藝中由于化學(xué)元素含量控制不當(dāng),導(dǎo)致碳含量嚴(yán)重超 標(biāo),造成螺栓的沖擊吸收能量及塑性下降,最終促使螺栓發(fā)生斷裂. 

關(guān)鍵詞:２０Cr１Mo１VTiB鋼;高溫緊固螺栓;斷裂;化學(xué)成分;力學(xué)性能 

中圖分類號:TG１４２．７３ 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８０４Ｇ０４

高溫緊固螺栓作為火力發(fā)電機組的重要連接部 件,一旦發(fā)生斷裂將導(dǎo)致發(fā)電機組的運行故障,特別 是用于汽輪機的高溫緊固螺栓的斷裂將會造成設(shè)備 損壞甚至人身傷亡事故,關(guān)系到整個機組的安全運 行.高溫緊固螺栓作為火力發(fā)電廠汽輪機的重要零 部件之一,在保證高中壓外缸密封面的密封性上發(fā) 揮著重要的作用[１Ｇ３].目前高溫緊固螺栓的材料主 要為低合金鋼、１２％ 鉻鐵素體不銹鋼、高溫合金鋼 等,隨著越來越多的超臨界機組投入運行,在高溫、 高壓、高應(yīng)力及蒸汽氧化腐蝕的工況條件下,機組對 高溫緊固螺栓的要求更加苛刻,通常要求其具有良 好的 強 度 和 塑 形 以 及 較 小 的 蠕 變 缺 口 敏 感 性. ２０Cr１Mo１VTiB 鋼作為一種新型的貝氏體高溫?zé)? 強鋼,具有良好的持久強度、優(yōu)異的抗松弛性能、出 色的持久塑性、較小的熱脆性傾向和較低的缺口敏 感性,可以滿足超臨界機組對高溫高壓的要求[４Ｇ７]. 但是目前國內(nèi)外火電機組的安全事故數(shù)據(jù)表明,服 役的２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高溫緊固螺栓經(jīng)常在安 裝和拆卸時發(fā)生斷裂,造成安全事故甚至人員傷亡. 某火力發(fā)電廠汽輪機使用的鍋爐側(cè)和汽輪機側(cè)的 ２０Cr１Mo１VTiB鋼制高溫緊固螺栓(以下簡稱為爐 側(cè)螺栓和機側(cè)螺栓)在安裝時發(fā)生斷裂,規(guī)格均為 M３３mm×２７３mm.為查明２０Cr１Mo１VTiB鋼制 高溫緊固螺栓發(fā)生斷裂的原因,以便采取措施避免類似失效再次發(fā)生,筆者對斷裂的螺栓進行了檢驗 和分析,并提出了可行的預(yù)防措施.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗 

采用放大鏡對斷裂的爐側(cè)螺栓和機側(cè)螺栓的進 行宏觀檢驗.由圖１可見,兩根螺栓的斷面形貌相 似,斷面整體較平整,斷裂均發(fā)生在牙底處,距光桿 約兩個螺紋,斷口與法蘭結(jié)合面平齊.兩根螺栓的 斷裂機理相同,均呈現(xiàn)疲勞斷裂的特征[８].斷面存 在裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū),在裂紋源區(qū)呈現(xiàn)出凹 凸面,存在明顯缺口.

１．２ 化學(xué)成分分析 

采用SpectroＧTEST 型固定式全定量光譜儀對 斷 裂的爐側(cè)螺栓和機側(cè)螺栓的化學(xué)成分進行分析,結(jié)果如表１所示.可見斷裂螺栓中除了碳元素含量 超過 GB/T２０４１０－２００６«渦輪機高溫螺栓用鋼»對 ２０Cr１Mo１VTiB鋼制螺栓的成分要求范圍,其他元 素含量均符合該標(biāo)準(zhǔn)要求.

１．３ 金相檢驗 

在爐側(cè)螺栓和機側(cè)螺栓的腰部取金相試樣,試 樣經(jīng)１２０ 號 砂 紙 粗 磨,再 依 次 使 用 ２８０,４００,６００, ８００號SiC砂紙打磨后,采用 MPＧ１型金相試樣磨拋 機進行拋光.拋光后的試樣用無水乙醇超聲清洗. 采用 AxioObserver型研究級倒置式金相顯微鏡分 別觀察機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓拋光態(tài)試樣的顯微組織 形貌,如圖２a)和圖２b)所示.根據(jù) GB/T１０５６１－ ２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級»,機 側(cè)和爐側(cè)螺栓中夾雜物含量等級分別在粗２．５級和 細(xì)２．５級以上,不符合 GB/T２０４１０－２００６關(guān)于夾 雜物含量不超過２．０級的規(guī)定. 

采用體積分?jǐn)?shù)為４％的 硝 酸 酒 精 溶 液 對 爐 側(cè) 螺栓和機側(cè) 螺 栓 的 拋 光 態(tài) 試 樣 進 行 浸 蝕 后,采 用 AxioObserver型研究級倒置式金相顯微鏡分別觀 察機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓浸蝕態(tài)試樣的顯微組織形 貌,由圖２c)和圖２d)可見,兩根螺栓的顯微組織均 為回火貝氏 體,爐 側(cè) 螺 栓 組 織 中 有 相 對 較 多 的 大 顆粒夾雜物 分 布,機 側(cè) 螺 栓 組 織 中 大 顆 粒 夾 雜 物 聚集 分 布,兩 根 螺 栓 的 晶 粒 度 均 為 ３ 級,小 于 DL/T４３９－２０１８«火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo) 則»中規(guī)定 ２０Cr１Mo１VTiB 鋼 制 螺 栓 的 晶 粒 度 大于５級的要求. 

１．４ 斷口分析

由于機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓的斷裂機理相同,選 取爐側(cè)螺栓采用JSMＧ６４９０型掃描電鏡對其斷口進 行形貌觀察.由圖３可見,裂紋源區(qū)較平整,沒有明 顯韌窩,呈現(xiàn)出疲勞斷裂的特征;擴展區(qū)存在明顯的 河流花樣和疲勞弧線,有較多的撕裂紋出現(xiàn),呈現(xiàn)出 解理斷裂的形貌;瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出韌窩形貌.

１．５ 力學(xué)性能測試 

根據(jù) GB/T２３１．１－２０１８«金屬材料 布氏硬度 試驗 第１部分:試驗方法»,采用 HBEＧ３０００A 型布 氏硬度計對機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓表面進行硬度測 試,載荷為１．８３kN(１８７．５kgf),加載時間為１５s,硬 質(zhì)合金球直徑為２．５mm.測得機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺 栓 的 硬 度 分 別 為 ２８９ HBW 和 ２８６HBW, DL/T４３９－２０１８標(biāo)準(zhǔn)中對２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高 溫緊固螺栓硬度的要求為２５５~２９３ HBW,機側(cè)螺 栓和爐 側(cè) 螺 栓 的 布 氏 硬 度 接 近 標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 范 圍 的 上限. 

根據(jù) GB/T２２９－２００７«金屬材料 夏比擺錘沖 擊試驗方法»,沿機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓圓心處縱向采 用 線切割的方式制備標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣,采用JBＧ３００C 型沖擊試驗機測試試樣的沖擊性能,載荷為３００N. 由測試結(jié)果可知機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓的沖擊吸收能 量平均值分別為１８J和 １４J,DL/T４３９－２０１８標(biāo) 準(zhǔn)中對２０Cr１Mo１VTiB 鋼制高溫緊固螺栓沖擊吸 收能量的要求為不小于３９J,機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓 的沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)值的要求. 

２ 分析與討論 

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知,斷裂的機側(cè)螺栓和 爐側(cè)螺栓中碳含量均超標(biāo).碳含量高的鋼材易發(fā)生 斷裂.通常增加碳含量會提高鋼材的抗拉強度,但 是隨之就會析出鐵碳化物[９Ｇ１０].碳含量越高,材料 抗應(yīng)力腐蝕開裂性能會降低,并與碳化物的體積分 數(shù)成正比,鋼材內(nèi)部析出碳化物后,電化學(xué)腐蝕環(huán)境 以及外力反復(fù)作用使材料發(fā)生斷裂. 

由金相檢驗結(jié)果可知,機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓夾 雜物含量等級均超過了 GB/T２０４１０－２００６標(biāo)準(zhǔn)關(guān) 于夾雜物含量不超過２．０級的規(guī)定.機側(cè)螺栓和爐 側(cè)螺栓組織為回火貝氏體,其中有相對較多的碳化 物顆粒 分 布,晶 粒 度 為 ３ 級,均 小 于 DL/T４３９－ ２０１８中規(guī)定２０Cr１Mo１VTiB 鋼制螺栓的晶粒度大 于５級的要求.夾雜物含量超標(biāo)說明在材料的冶煉 工藝中化學(xué)元素含量控制不當(dāng),造成夾雜物過大而 割裂基體.結(jié)合上述化學(xué)成分分析結(jié)果可知,夾雜 物為碳化物[１１].在高溫服役的環(huán)境中需要較大的 晶粒度,以降低高溫蠕變的傾向(高溫蠕變是材料在高溫下服役時,尤其是在恒溫、恒載荷作用下緩慢產(chǎn) 生的變形,這種變形最終將導(dǎo)致材料斷裂).

從斷口形貌分析來看,由于疲勞斷裂對表面缺 陷非常敏感,因此疲勞源往往都在金屬的表面,斷裂 螺栓的裂紋源區(qū)有明顯受力造成的缺口,在反復(fù)受 力的情況下出現(xiàn)了疲勞源,進而向瞬斷區(qū)擴展形成 斷裂.疲勞裂紋擴展區(qū)是疲勞裂紋的亞臨界擴展 區(qū),是疲勞斷口上最重要的特征區(qū)域,該區(qū)域形態(tài)多 種多樣,可以是光滑的或者瓷狀,可以有疲勞弧線, 呈現(xiàn)晶粒狀或者撕裂紋狀,具體形態(tài)取決于斷裂試 樣所承受的應(yīng)力狀態(tài)及運行狀態(tài)(包括最大外加應(yīng) 力強度 KImax、最小外加應(yīng)力強度 KImin、臨界外加應(yīng) 力強度 KIC、頻率、環(huán)境、溫度等),當(dāng) KImax＞KIC ＞ KImin時,就會產(chǎn)生撕裂紋[１２Ｇ１４],由圖２c)可見斷裂的 螺栓存在撕裂紋現(xiàn)象,屬于此種情形.

機側(cè)螺栓和爐側(cè)螺栓的布氏硬度接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定范圍的上限,說明其脆性較大,有較大的斷裂傾 向性.一般螺栓硬度高于正常范圍過大就會引起 螺栓的脆性 斷 裂,低 于 正 常 范 圍 則 導(dǎo) 致 螺 栓 的 強 度降低,也 容 易 發(fā) 生 斷 裂.而 機 側(cè) 螺 栓 和 爐 側(cè) 螺 栓最初是在 反 復(fù) 應(yīng) 力 作 用 下,沿 著 螺 紋 前 端 發(fā) 生 的斷裂. 

機側(cè)螺栓 和 爐 側(cè) 螺 栓 的 沖 擊 性 能 低 于 DL/T ４３９－２０１８規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值.斷裂螺栓的沖擊吸收能 量偏低與碳含量高相對應(yīng),沖擊吸收能量隨著碳含 量的增大而降低[１５],材料塑性隨之下降.結(jié)合金相 檢驗可知,該螺栓組織析出部分碳化物、晶粒增大, 加上材料塑性下降,這是導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂的根本 原因. 

３ 結(jié)論及建議 

在高溫緊固螺栓材料的冶煉工藝中,由于化學(xué) 元素含量控制不當(dāng),導(dǎo)致碳含量嚴(yán)重超標(biāo),造成螺栓 的沖擊吸收能量和塑性下降,最終促使螺栓發(fā)生斷 裂.在高溫緊固螺栓材料的冶煉工藝上應(yīng)嚴(yán)格控制各元素的含量,尤其是碳含量,防止由于元素含量偏 離正常值而導(dǎo)致螺栓力學(xué)性能降低.

參考文獻: 

[１] 邱康勇,張杰,吳繼權(quán)．主汽門閥蓋螺栓斷裂失效分 析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１８,５４(４):３０４Ｇ３０７． 

[２] 吳紅輝,王韋．２０Cr１Mo１VNbTiB高溫螺栓斷裂失效 分析[J]．華電技術(shù),２０１８,４０(１０):２７Ｇ２９． 

[３] 李丹．１０００MW 機組汽輪機高溫螺栓缺陷研究[J]． 熱加工工藝,２０１９,４８(３):２５７Ｇ２６２．

[４] 楊春,鐘振前,司紅,等．汽車缸蓋螺栓斷裂原因分析 [J]．金屬熱處理,２０１６,４１(１１):１７５Ｇ１７８． 

[５] 袁峰,靳寶宏,門菲．發(fā)動機連桿螺栓斷裂原因分析 [J]．理化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(１１):８３３Ｇ８３６． 

[６] 王東．高壓導(dǎo)汽管螺栓斷裂失效分析[J]．熱加工工 藝,２０１７,４６(１５):２５２Ｇ２５３．

[７] 劉俊偉,陳淑貞．高壓容器用螺栓斷裂失效分析[J]． 理化檢驗(物理分冊),２０１２,４８(１２):８３４Ｇ８３６． 

[８] 張道鋼,李金峰,王玉興,等．２０Cr１Mo１VNbTiB高溫 螺栓運行后性能變化及監(jiān)督方法的探討[J]．河北電 力技術(shù),１９９２,１１(５):４３Ｇ４８． 

[９] 于長山,劉炳日．碳含量和組織形態(tài)對碳素鋼抗沖擊 磨粒磨損性能的影響[J]．金屬熱處理,１９９６,２１(１０): １０Ｇ１１． 

[１０] 羅曄．碳含量對超高強汽車用鋼腐蝕及氫擴散行為 的影響[J]．世界金屬導(dǎo)報,２０１９,１０(１):５Ｇ８． 

[１１] 亓婧,李因田,劉小輝,等．高溫合金螺栓蠕變失效分 析[J]．安全、健康和環(huán)境,２０１５,１５(５):４７Ｇ４９． 

[１２] 王增友．２０Cr１Mo１VNbTiB,２５Cr２Mo１VA 鋼熱處理 工藝總結(jié)[J]．金屬加工(熱加工),２０１４(z２):１４９Ｇ１５１． 

[１３] 孫澎．２０Cr１Mo１VTiB螺栓斷裂原因分析[J]．熱加工 工藝,２０１６,４５(４):２５２Ｇ２５４． 

[１４] 段輝建．２０Cr１Mo１VTiB螺栓斷裂原因分析[J]．華北 電力技術(shù),２００２(１２):２７Ｇ２８． 

[１５] 杜曉東,丁厚福,吳凱,等．碳含量對腐蝕條件下低碳 高合金 鋼 沖 擊 磨 損 性 能 的 影 響 [J]．摩 擦 學(xué) 學(xué) 報, ２００６,２６(６):５３５Ｇ５４０． 

<文章來源  > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 11期 (pp:804-807)>