分享：钢制高温紧固螺栓断裂失效分析
摘 要:某火力发电厂汽轮机用２０Cr１Mo１VTiB 钢制高温紧固螺栓在安装时发生断裂.通过 宏观检验、化学成分分析、金相检验、断口分析、力学性能测试等方法对螺栓断裂的原因进行了分 析.结果表明:高温紧固螺栓材料的冶炼工艺中由于化学元素含量控制不当,导致碳含量严重超 标,造成螺栓的冲击吸收能量及塑性下降,最终促使螺栓发生断裂.
关键词:２０Cr１Mo１VTiB钢;高温紧固螺栓;断裂;化学成分;力学性能
中图分类号:TG１４２．７３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８０４Ｇ０４
高温紧固螺栓作为火力发电机组的重要连接部 件,一旦发生断裂将导致发电机组的运行故障,特别 是用于汽轮机的高温紧固螺栓的断裂将会造成设备 损坏甚至人身伤亡事故,关系到整个机组的安全运 行.高温紧固螺栓作为火力发电厂汽轮机的重要零 部件之一,在保证高中压外缸密封面的密封性上发 挥着重要的作用[１Ｇ３].目前高温紧固螺栓的材料主 要为低合金钢、１２％ 铬铁素体不锈钢、高温合金钢 等,随着越来越多的超临界机组投入运行,在高温、 高压、高应力及蒸汽氧化腐蚀的工况条件下,机组对 高温紧固螺栓的要求更加苛刻,通常要求其具有良 好的 强 度 和 塑 形 以 及 较 小 的 蠕 变 缺 口 敏 感 性. ２０Cr１Mo１VTiB 钢作为一种新型的贝氏体高温热 强钢,具有良好的持久强度、优异的抗松弛性能、出 色的持久塑性、较小的热脆性倾向和较低的缺口敏 感性,可以满足超临界机组对高温高压的要求[４Ｇ７]. 但是目前国内外火电机组的安全事故数据表明,服 役的２０Cr１Mo１VTiB 钢制高温紧固螺栓经常在安 装和拆卸时发生断裂,造成安全事故甚至人员伤亡. 某火力发电厂汽轮机使用的锅炉侧和汽轮机侧的 ２０Cr１Mo１VTiB钢制高温紧固螺栓(以下简称为炉 侧螺栓和机侧螺栓)在安装时发生断裂,规格均为 M３３mm×２７３mm.为查明２０Cr１Mo１VTiB钢制 高温紧固螺栓发生断裂的原因,以便采取措施避免类似失效再次发生,笔者对断裂的螺栓进行了检验 和分析,并提出了可行的预防措施.
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
采用放大镜对断裂的炉侧螺栓和机侧螺栓的进 行宏观检验.由图１可见,两根螺栓的断面形貌相 似,断面整体较平整,断裂均发生在牙底处,距光杆 约两个螺纹,断口与法兰结合面平齐.两根螺栓的 断裂机理相同,均呈现疲劳断裂的特征[８].断面存 在裂纹源区、扩展区和瞬断区,在裂纹源区呈现出凹 凸面,存在明显缺口.
１．２ 化学成分分析
采用SpectroＧTEST 型固定式全定量光谱仪对 断 裂的炉侧螺栓和机侧螺栓的化学成分进行分析,结果如表１所示.可见断裂螺栓中除了碳元素含量 超过 GB/T２０４１０－２００６«涡轮机高温螺栓用钢»对 ２０Cr１Mo１VTiB钢制螺栓的成分要求范围,其他元 素含量均符合该标准要求.
１．３ 金相检验
在炉侧螺栓和机侧螺栓的腰部取金相试样,试 样经１２０ 号 砂 纸 粗 磨,再 依 次 使 用 ２８０,４００,６００, ８００号SiC砂纸打磨后,采用 MPＧ１型金相试样磨抛 机进行抛光.抛光后的试样用无水乙醇超声清洗. 采用 AxioObserver型研究级倒置式金相显微镜分 别观察机侧螺栓和炉侧螺栓抛光态试样的显微组织 形貌,如图２a)和图２b)所示.根据 GB/T１０５６１－ ２００５«钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级»,机 侧和炉侧螺栓中夹杂物含量等级分别在粗２．５级和 细２．５级以上,不符合 GB/T２０４１０－２００６关于夹 杂物含量不超过２．０级的规定.
采用体积分数为４％的 硝 酸 酒 精 溶 液 对 炉 侧 螺栓和机侧 螺 栓 的 抛 光 态 试 样 进 行 浸 蚀 后,采 用 AxioObserver型研究级倒置式金相显微镜分别观 察机侧螺栓和炉侧螺栓浸蚀态试样的显微组织形 貌,由图２c)和图２d)可见,两根螺栓的显微组织均 为回火贝氏 体,炉 侧 螺 栓 组 织 中 有 相 对 较 多 的 大 颗粒夹杂物 分 布,机 侧 螺 栓 组 织 中 大 颗 粒 夹 杂 物 聚集 分 布,两 根 螺 栓 的 晶 粒 度 均 为 ３ 级,小 于 DL/T４３９－２０１８«火力发电厂高温紧固件技术导 则»中规定 ２０Cr１Mo１VTiB 钢 制 螺 栓 的 晶 粒 度 大于５级的要求.
１．４ 断口分析
由于机侧螺栓和炉侧螺栓的断裂机理相同,选 取炉侧螺栓采用JSMＧ６４９０型扫描电镜对其断口进 行形貌观察.由图３可见,裂纹源区较平整,没有明 显韧窝,呈现出疲劳断裂的特征;扩展区存在明显的 河流花样和疲劳弧线,有较多的撕裂纹出现,呈现出 解理断裂的形貌;瞬断区呈现出韧窝形貌.
１．５ 力学性能测试
根据 GB/T２３１．１－２０１８«金属材料 布氏硬度 试验 第１部分:试验方法»,采用 HBEＧ３０００A 型布 氏硬度计对机侧螺栓和炉侧螺栓表面进行硬度测 试,载荷为１．８３kN(１８７．５kgf),加载时间为１５s,硬 质合金球直径为２．５mm.测得机侧螺栓和炉侧螺 栓 的 硬 度 分 别 为 ２８９ HBW 和 ２８６HBW, DL/T４３９－２０１８标准中对２０Cr１Mo１VTiB 钢制高 温紧固螺栓硬度的要求为２５５~２９３ HBW,机侧螺 栓和炉 侧 螺 栓 的 布 氏 硬 度 接 近 标 准 规 定 范 围 的 上限.
根据 GB/T２２９－２００７«金属材料 夏比摆锤冲 击试验方法»,沿机侧螺栓和炉侧螺栓圆心处纵向采 用 线切割的方式制备标准冲击试样,采用JBＧ３００C 型冲击试验机测试试样的冲击性能,载荷为３００N. 由测试结果可知机侧螺栓和炉侧螺栓的冲击吸收能 量平均值分别为１８J和 １４J,DL/T４３９－２０１８标 准中对２０Cr１Mo１VTiB 钢制高温紧固螺栓冲击吸 收能量的要求为不小于３９J,机侧螺栓和炉侧螺栓 的冲击吸收能量低于标准值的要求.
２ 分析与讨论
由化学成分分析结果可知,断裂的机侧螺栓和 炉侧螺栓中碳含量均超标.碳含量高的钢材易发生 断裂.通常增加碳含量会提高钢材的抗拉强度,但 是随之就会析出铁碳化物[９Ｇ１０].碳含量越高,材料 抗应力腐蚀开裂性能会降低,并与碳化物的体积分 数成正比,钢材内部析出碳化物后,电化学腐蚀环境 以及外力反复作用使材料发生断裂.
由金相检验结果可知,机侧螺栓和炉侧螺栓夹 杂物含量等级均超过了 GB/T２０４１０－２００６标准关 于夹杂物含量不超过２．０级的规定.机侧螺栓和炉 侧螺栓组织为回火贝氏体,其中有相对较多的碳化 物颗粒 分 布,晶 粒 度 为 ３ 级,均 小 于 DL/T４３９－ ２０１８中规定２０Cr１Mo１VTiB 钢制螺栓的晶粒度大 于５级的要求.夹杂物含量超标说明在材料的冶炼 工艺中化学元素含量控制不当,造成夹杂物过大而 割裂基体.结合上述化学成分分析结果可知,夹杂 物为碳化物[１１].在高温服役的环境中需要较大的 晶粒度,以降低高温蠕变的倾向(高温蠕变是材料在高温下服役时,尤其是在恒温、恒载荷作用下缓慢产 生的变形,这种变形最终将导致材料断裂).
从断口形貌分析来看,由于疲劳断裂对表面缺 陷非常敏感,因此疲劳源往往都在金属的表面,断裂 螺栓的裂纹源区有明显受力造成的缺口,在反复受 力的情况下出现了疲劳源,进而向瞬断区扩展形成 断裂.疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹的亚临界扩展 区,是疲劳断口上最重要的特征区域,该区域形态多 种多样,可以是光滑的或者瓷状,可以有疲劳弧线, 呈现晶粒状或者撕裂纹状,具体形态取决于断裂试 样所承受的应力状态及运行状态(包括最大外加应 力强度 KImax、最小外加应力强度 KImin、临界外加应 力强度 KIC、频率、环境、温度等),当 KImax＞KIC ＞ KImin时,就会产生撕裂纹[１２Ｇ１４],由图２c)可见断裂的 螺栓存在撕裂纹现象,属于此种情形.
机侧螺栓和炉侧螺栓的布氏硬度接近标准规 定范围的上限,说明其脆性较大,有较大的断裂倾 向性.一般螺栓硬度高于正常范围过大就会引起 螺栓的脆性 断 裂,低 于 正 常 范 围 则 导 致 螺 栓 的 强 度降低,也 容 易 发 生 断 裂.而 机 侧 螺 栓 和 炉 侧 螺 栓最初是在 反 复 应 力 作 用 下,沿 着 螺 纹 前 端 发 生 的断裂.
机侧螺栓 和 炉 侧 螺 栓 的 冲 击 性 能 低 于 DL/T ４３９－２０１８规定的标准值.断裂螺栓的冲击吸收能 量偏低与碳含量高相对应,冲击吸收能量随着碳含 量的增大而降低[１５],材料塑性随之下降.结合金相 检验可知,该螺栓组织析出部分碳化物、晶粒增大, 加上材料塑性下降,这是导致螺栓发生断裂的根本 原因.
３ 结论及建议
在高温紧固螺栓材料的冶炼工艺中,由于化学 元素含量控制不当,导致碳含量严重超标,造成螺栓 的冲击吸收能量和塑性下降,最终促使螺栓发生断 裂.在高温紧固螺栓材料的冶炼工艺上应严格控制各元素的含量,尤其是碳含量,防止由于元素含量偏 离正常值而导致螺栓力学性能降低.
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