分享：主汽门阀盖螺栓断裂失效分析

邱康勇,张 杰,吴继权

(深圳市特种设备安全检验研究院,深圳 ５１８０２９)

摘 要:某电厂在停炉检修时发现一主汽门阀盖螺栓断裂失效,采用宏观分析、化学成分分析、硬度试验、金相分析、断口以及能谱分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:螺栓断裂的主要原因为螺栓显微组织粗大且不均匀,在长期高温和应力作用下,局部位置的晶界发生蠕变产生蠕变孔洞;然后在腐蚀介质的作用下,裂纹从晶界蠕变孔洞处萌生并沿晶界扩展,最终造成一次性沿晶脆性断裂.

关键词:螺栓;断裂;蠕变;腐蚀;沿晶脆性断裂;失效分析

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０４Ｇ０３０４Ｇ０４

高温螺栓是火力发电厂广泛使用的紧固件之一,在役机组 的 高 温 螺 栓 出 现 失 效 现 象 在 火 电 厂事故中较为普遍[１].某电厂在２０１６年１２月停炉检修时 发 现 其 中 一 根 主 汽 门 阀 盖 螺 栓 断 裂 成 两截,如图１ 所 示.失 效 的 主 汽 门 阀 盖 螺 栓 标 称 材料为２０Cr１Mo１VTiB钢,规格为 M５６mm,且为双头螺栓.该螺栓所在机组于２００５年投入使用,截

止到发现螺栓断裂时已累计运行４００００h,期间共有过 ４ 次 拆 装,机 组 工 作 期 间 最 高 运 行 温 度 为５３０ ℃,每天运行时间为１０h.为查明失效原因,避免类似失 效 的 再 发 生,笔 者 对 该 断 裂 螺 栓 进 行了检验和分析.

１ 理化检验

１．１ 宏观分析

图２为断裂主汽门阀盖螺栓的整体宏观形貌,可见断裂发生在双头螺栓一头的最后一条螺纹处,该处为螺栓应力集中较大的区域.图３为螺栓断口宏观形貌,可见断口比较粗糙,且较为平坦,呈颗粒状,断口上未观察到放射区和纤维区,断口整体比较灰暗,呈脆性断裂特征[２].

１．２ 化学成分分析

在断裂主 汽 门 阀 盖 螺 栓 上 截 取 光 谱 试 样,经清洗、干燥、打 磨 后,采 用 台 式 直 读 光 谱 仪 进 行 化学成分 分 析,结 果 见 表 １. 可 见 断 裂 螺 栓 的 化学成分符合DL/T４３９－２００６«火力发电厂高温紧固件技术导 则»对 ２０Cr１Mo１VTiB 钢 成 分 的 技 术要求.

１．３ 硬度试验

在主汽门阀盖螺栓断口附近截取横截面试样,打磨、抛光后进行布氏硬度试验,结果见表２.可见断裂螺栓的布氏硬度亦符合 DL/T４３９－２００６ 对２０Cr１Mo１VTiB钢的技术要求.

１．４ 金相分析

在主汽门阀盖螺栓断口附近截取横截面试样,镶嵌、打磨、抛光后用４％(体积分数)硝酸酒精溶液进行侵蚀,光学显微镜(OM)下观察试样显微组织形貌见图４.显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体,但组织分布不均匀,部分晶粒较为粗大,且晶界处存在细小的蠕变孔洞[３Ｇ４].将金相试样置于扫描电镜(SEM)内进行观察,同样可见晶界处存在少量细小的蠕变孔洞,见图５.

１．５ 断口扫描电镜及能谱分析

将主汽门阀盖螺栓断口切取下来,经无水酒精清洗干净、干燥后,置于扫描电镜内进行观察.可见螺栓表 面 有 大 量 的 覆 盖 物,覆 盖 物 形 貌 及 能 谱(EDS)分析结果见图６,由此可推断出该覆盖物为铁的氧化产物.

将断口进一步清洗并且干燥后,置于扫描电镜内再次进行观察,断口形貌见图７.可见断口主要呈冰糖状沿晶断裂形貌,断口上可见二次裂纹与孔洞,断口局部放大可见解理台阶,呈典型的脆性断裂形貌特征[５].

２ 综合分析

由上述理化检验结果可知,断裂主汽门阀盖螺栓的化学成分和硬度均满足 DL/T４３９－２００６ 对２０Cr１Mo１VTiB钢的技术要求.

由金相分析结果可知,主汽门阀盖螺栓显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体,组织分布不均匀,部分晶粒较为粗大,同时晶界处存在蠕变特征.

蠕变的产生主要与温度及应力有关,螺栓的使用温度为５３０ ℃,该 温 度 未 超 过 材 料 的 最 高 许 用 温 度(５７０ ℃),但也是在高温下服役.螺栓服役过程中的应力来自以下４个方面:第一,当机组平稳工作时,在５３０ ℃温度下,螺栓同时承受一定的热应力,但当机组处于启动和结束两个阶段时,螺栓承受的则是交变热应力;第二,结合螺栓的装载位置及螺栓一头套在螺帽内的特点可以看出,该螺栓承受一定的剪切应力;第三,螺栓在服役过程中,存在机械交变循环应力的作用,机械交变循环应力主要来源于锅炉停炉、启动及运行过程中的负荷波动;第四,由于螺栓断裂位置位于最后一条螺纹处,此处本身就为应力集中位置.由断口分析结果可知,断口受到较严重的腐蚀作用;断口主要呈沿晶冰糖状,同时可见二次裂纹与孔洞,孔洞的形成与腐蚀及蠕变有关.因此可以判断该主汽门阀盖螺栓发生的是沿晶脆性断裂.综合以上分析,由于螺栓显微组织晶粒较粗大且组织分布不均,螺栓长期承受５３０℃高温,在一定应力作用下局部位置的晶界发生蠕变,晶界处的蠕变孔洞成为裂纹源,然后在腐蚀介质的作用下,裂纹在晶界处萌生并沿晶界扩展,最终造成一次性沿晶脆性断裂.

３ 结论及建议

该主汽门阀盖螺栓断裂为一次性沿晶脆性断裂;造成其断裂的原因是螺栓显微组织粗大且分布不均匀,在长期的高温和应力作用下,局部位置的晶界发生蠕变产生蠕变孔洞,然后在腐蚀介质的作用下晶界蠕变孔洞处萌生裂纹并沿晶界扩展,最终造成螺栓一次性沿晶脆性断裂.建议加强对螺栓使用前的抽查检验;检修过程中应对螺栓进行无损检测,必要时可进行现场化学成分、硬度、金相等项目的检验;加强对锅炉水质溶解氧以及pH 值等指标的监测.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 4期 > pp.304）