邱康勇,張 杰,吳繼權(quán)

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院,深圳 ５１８０２９)

摘 要:某電廠在停爐檢修時發(fā)現(xiàn)一主汽門閥蓋螺栓斷裂失效,采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、硬度試驗、金相分析、斷口以及能譜分析等方法對螺栓斷裂原因進行了分析.結(jié)果表明:螺栓斷裂的主要原因為螺栓顯微組織粗大且不均勻,在長期高溫和應(yīng)力作用下,局部位置的晶界發(fā)生蠕變產(chǎn)生蠕變孔洞;然后在腐蝕介質(zhì)的作用下,裂紋從晶界蠕變孔洞處萌生并沿晶界擴展,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

關(guān)鍵詞:螺栓;斷裂;蠕變;腐蝕;沿晶脆性斷裂;失效分析

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０４Ｇ０３０４Ｇ０４

高溫螺栓是火力發(fā)電廠廣泛使用的緊固件之一,在役機組 的 高 溫 螺 栓 出 現(xiàn) 失 效 現(xiàn) 象 在 火 電 廠事故中較為普遍[１].某電廠在２０１６年１２月停爐檢修時 發(fā) 現(xiàn) 其 中 一 根 主 汽 門 閥 蓋 螺 栓 斷 裂 成 兩截,如圖１ 所 示.失 效 的 主 汽 門 閥 蓋 螺 栓 標(biāo) 稱 材料為２０Cr１Mo１VTiB鋼,規(guī)格為 M５６mm,且為雙頭螺栓.該螺栓所在機組于２００５年投入使用,截

止到發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂時已累計運行４００００h,期間共有過 ４ 次 拆 裝,機 組 工 作 期 間 最 高 運 行 溫 度 為５３０ ℃,每天運行時間為１０h.為查明失效原因,避免類似失 效 的 再 發(fā) 生,筆 者 對 該 斷 裂 螺 栓 進 行了檢驗和分析.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀分析

圖２為斷裂主汽門閥蓋螺栓的整體宏觀形貌,可見斷裂發(fā)生在雙頭螺栓一頭的最后一條螺紋處,該處為螺栓應(yīng)力集中較大的區(qū)域.圖３為螺栓斷口宏觀形貌,可見斷口比較粗糙,且較為平坦,呈顆粒狀,斷口上未觀察到放射區(qū)和纖維區(qū),斷口整體比較灰暗,呈脆性斷裂特征[２].

１．２ 化學(xué)成分分析

在斷裂主 汽 門 閥 蓋 螺 栓 上 截 取 光 譜 試 樣,經(jīng)清洗、干燥、打 磨 后,采 用 臺 式 直 讀 光 譜 儀 進 行 化學(xué)成分 分 析,結(jié) 果 見 表 １. 可 見 斷 裂 螺 栓 的 化學(xué)成分符合DL/T４３９－２００６«火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo) 則»對 ２０Cr１Mo１VTiB 鋼 成 分 的 技 術(shù)要求.

１．３ 硬度試驗

在主汽門閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣,打磨、拋光后進行布氏硬度試驗,結(jié)果見表２.可見斷裂螺栓的布氏硬度亦符合 DL/T４３９－２００６ 對２０Cr１Mo１VTiB鋼的技術(shù)要求.

１．４ 金相分析

在主汽門閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣,鑲嵌、打磨、拋光后用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進行侵蝕,光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察試樣顯微組織形貌見圖４.顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,但組織分布不均勻,部分晶粒較為粗大,且晶界處存在細(xì)小的蠕變孔洞[３Ｇ４].將金相試樣置于掃描電鏡(SEM)內(nèi)進行觀察,同樣可見晶界處存在少量細(xì)小的蠕變孔洞,見圖５.

１．５ 斷口掃描電鏡及能譜分析

將主汽門閥蓋螺栓斷口切取下來,經(jīng)無水酒精清洗干凈、干燥后,置于掃描電鏡內(nèi)進行觀察.可見螺栓表 面 有 大 量 的 覆 蓋 物,覆 蓋 物 形 貌 及 能 譜(EDS)分析結(jié)果見圖６,由此可推斷出該覆蓋物為鐵的氧化產(chǎn)物.

將斷口進一步清洗并且干燥后,置于掃描電鏡內(nèi)再次進行觀察,斷口形貌見圖７.可見斷口主要呈冰糖狀沿晶斷裂形貌,斷口上可見二次裂紋與孔洞,斷口局部放大可見解理臺階,呈典型的脆性斷裂形貌特征[５].

２ 綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知,斷裂主汽門閥蓋螺栓的化學(xué)成分和硬度均滿足 DL/T４３９－２００６ 對２０Cr１Mo１VTiB鋼的技術(shù)要求.

由金相分析結(jié)果可知,主汽門閥蓋螺栓顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,組織分布不均勻,部分晶粒較為粗大,同時晶界處存在蠕變特征.

蠕變的產(chǎn)生主要與溫度及應(yīng)力有關(guān),螺栓的使用溫度為５３０ ℃,該 溫 度 未 超 過 材 料 的 最 高 許 用 溫 度(５７０ ℃),但也是在高溫下服役.螺栓服役過程中的應(yīng)力來自以下４個方面:第一,當(dāng)機組平穩(wěn)工作時,在５３０ ℃溫度下,螺栓同時承受一定的熱應(yīng)力,但當(dāng)機組處于啟動和結(jié)束兩個階段時,螺栓承受的則是交變熱應(yīng)力;第二,結(jié)合螺栓的裝載位置及螺栓一頭套在螺帽內(nèi)的特點可以看出,該螺栓承受一定的剪切應(yīng)力;第三,螺栓在服役過程中,存在機械交變循環(huán)應(yīng)力的作用,機械交變循環(huán)應(yīng)力主要來源于鍋爐停爐、啟動及運行過程中的負(fù)荷波動;第四,由于螺栓斷裂位置位于最后一條螺紋處,此處本身就為應(yīng)力集中位置.由斷口分析結(jié)果可知,斷口受到較嚴(yán)重的腐蝕作用;斷口主要呈沿晶冰糖狀,同時可見二次裂紋與孔洞,孔洞的形成與腐蝕及蠕變有關(guān).因此可以判斷該主汽門閥蓋螺栓發(fā)生的是沿晶脆性斷裂.綜合以上分析,由于螺栓顯微組織晶粒較粗大且組織分布不均,螺栓長期承受５３０℃高溫,在一定應(yīng)力作用下局部位置的晶界發(fā)生蠕變,晶界處的蠕變孔洞成為裂紋源,然后在腐蝕介質(zhì)的作用下,裂紋在晶界處萌生并沿晶界擴展,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

３ 結(jié)論及建議

該主汽門閥蓋螺栓斷裂為一次性沿晶脆性斷裂;造成其斷裂的原因是螺栓顯微組織粗大且分布不均勻,在長期的高溫和應(yīng)力作用下,局部位置的晶界發(fā)生蠕變產(chǎn)生蠕變孔洞,然后在腐蝕介質(zhì)的作用下晶界蠕變孔洞處萌生裂紋并沿晶界擴展,最終造成螺栓一次性沿晶脆性斷裂.建議加強對螺栓使用前的抽查檢驗;檢修過程中應(yīng)對螺栓進行無損檢測,必要時可進行現(xiàn)場化學(xué)成分、硬度、金相等項目的檢驗;加強對鍋爐水質(zhì)溶解氧以及pH 值等指標(biāo)的監(jiān)測.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 4期 > pp.304）