汽轮机组阀盖紧固螺栓断裂失效分析

　　摘要：采用宏观形貌和显微组织观察、化学成分分析、力学性能测试和冲击断口微观形貌观察等方法，对某电厂 4 号汽轮机组中压调节阀阀盖用 20Cr1Mo1VTiB 钢紧固螺栓的断裂原因进行了研究。 结果表明，螺栓断裂的原因主要与长时高温运行引起的蠕变损伤有关。 螺栓的许用工作温度(570 ℃ )仅略高于汽轮机组的设计温度(566 ℃ )，裕度存在不足，且螺母端第一扣螺纹牙底处的应力集中程度较高，在长期高温和低速率应力集中的共同作用下形成蠕变孔洞，冲击性能逐渐下降，并最终引发蠕变损伤断裂。 据此，建议对中压调节阀紧固螺栓及相应的垫圈材料配套进行等级升级。

　　郑建军; 樊子铭; 刘孝; 乔欣; 高云鹏， 金属热处理 发表时间：2021-10-25

　　关键词：20Cr1Mo1VTiB 钢;紧固螺栓;断裂;蠕变损伤;冲击性能

　　汽轮机作为火力发电机组的核心部分之一，其安全稳定性对机组的正常运行起着不可替代的重要作用[1]。通常情况下，为了更好地适应高温、高应力及蒸汽氧化腐蚀的工作环境，汽轮机组各部位会采用奥氏体不锈钢、高温合金钢等紧固螺栓进行连接。 因此，作为汽轮机组的关键连接部件，高温紧固螺栓的运行性能对于汽缸中分面的气密性而言极其重要[2]。 但是，随着高温螺栓在火力发电厂的广泛使用，因其失效断裂而导致的非计划停运的事故呈逐年上升的趋势[3?5]。

　　某电厂 4 号汽轮机组于 2011 年投产运行，型号为CZK350 / 320?24. 2 / 0. 4 / 566 / 566，属于超临界、中间再热、单轴、双缸双排汽、直接空冷、采暖供热抽汽式汽轮发电机组。 2020 年 7 月 31 日，电厂检修人员在对其中压调速门进行解体时，发现 20 余根气阀阀盖紧固螺栓发生断裂。 断裂的紧固螺栓型号为 M33 mm ×273 mm，材质为 20Cr1Mo1VTiB 钢。 为了确定螺栓的失效原因，本文采用宏观形貌与微观组织观察分析、力学性能测试、断口形貌观察等方法，针对中压调速汽阀阀盖用 20Cr1Mo1VTiB 钢紧固螺栓的断裂机理进行了研究，并提出了相应改善措施，以避免类似事故再次发生。

　　1 试验材料及方法

　　试验材料为断裂失效的组中压调速汽阀阀盖用20Cr1Mo1VTiB 钢紧固螺栓。 采用 SPECZROMAXx 型台式直读光谱仪对其进行化学成分分析，确定化学成分是否符合标准要求;采用 Axio Observer. Alm 型光学显微镜对其进行显微组织观察及分析，确定显微组织是否 正 常; 采 用 ZBC?300B 型 数 字 式 冲 击 试 验 机、THBC?3000DA 型图像处理式布氏硬度计及 CMT5305电子万能试验机分别对其螺杆部位进行硬度测量、室温冲击及室温拉伸试验，确定其力学性能是否符合标准要求;采用 HITACHIS?3700N 型扫描电镜( SEM) 对冲击断口形貌进行观察分析，进一步确定断裂机理和失效方式。

　　2 试验结果及分析

　　2. 1 化学成分分析

　　经过直读光谱仪检测，断裂失效的中压调节阀阀盖用 20Cr1Mo1VTiB 钢紧固螺栓的化学成分如表 1 所示，符合 DL / T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》标准的要求，排除材质错用问题。

　　2. 2 宏观形貌分析

　　中压调速汽阀阀盖共装有 30 根螺栓，拆解时发现其中 20 根完全断裂，剩余 10 根已无法正常取出，如图 1(a) 所示。 对断裂的 20 根紧固螺栓进行宏观形貌观察后可以发现，所有螺栓的断口表面均存在明显的高温氧化锈层，大多数的螺栓均断裂于螺母端第一扣螺纹牙底处，且存在 3 种不同类型的宏观断口形貌：第 1类断口的断面较平整，具有明显的脆性开裂特征，并且可以清 晰 地 观 察 到 启 裂 区、 扩 展 区 及 瞬 断 区 ( 如图 1(b) 所示)，具有该类断口特征的螺栓共计 13 根;第 2 类断口的断面凹凸不平，呈明显的撕裂特征(如图 1(c) 所示)，具有该类断口特征的螺栓共计3 根;第3类断口附近螺杆存在明显颈缩现象，为典型的塑性断口，并且在断面可以观察到纤维区、放射区及剪切唇(如图 1(d)所示)，具有该类断口特征的螺栓共计 4 根。

　　2. 3 显微组织分析

　　根据宏观断口形貌，从 3 种断口类型的螺栓中各取 1 支进行显微组织观察(远离断口处)，如图 2 所示。 由图 2(a ～ c)可以看出，3 种螺栓的基体组织均为细晶粒状贝氏体，局部区域还可以观察到尺寸较大的菱形、椭圆形等第二相析出物，未见粗大晶粒或黑色网状晶界等异常。 值得注意的是，第 1 类螺栓的基体组织略粗大(如图 2( d)所示)，贝氏体以板条状结构为主，而第 3 类螺栓的基体组织较细小(如图 2( f)所示)，贝氏体主要为细晶状。

　　选取具有代表性的第 1 类和第 3 类螺栓，用电火花线切割机将其断面沿轴向切开，然后对断口启裂区域的微观形貌进行观察，结果如图 3 所示。 从图 3(a，c)可以看出，两组螺栓的断口尖端均存在大量的沿晶蠕变孔洞，表明两组螺栓的断裂部位在断裂前处于长时间过热状态。 此外，与图 2(d， f)所示远离断口处的相比，断口附近区域的基体内析出了大量的碳化物，组织均已明显老化，如图 3(b， d)所示。

　　2. 4 力学性能分析

　　第 1 类和第 3 类螺栓远离断口位置的螺杆部位的力学性能如表 2 所示，可以看出，两类螺栓的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击性能及硬度均符合 DL / T439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》标准的要求。 但是第 1 类螺栓的冲击吸收能量仅略高于标准值，存在冲击吸收能量余量不足问题。

　　2. 5 冲击断口分析

　　图 4 为第 1 类和第 3 类螺栓的冲击断口形貌。 由图 4(a)可以观察到，第 1 类螺栓的冲击断口主要以准解理形貌为主，并且还可以观察到一些二次裂纹，具有典型的脆性断裂特征，这主要与该螺栓的塑韧性偏低有关。 第 3 类螺栓的冲击断口以准解理断面 + 少量韧窝为主。 这是由于第 3 类螺栓的晶粒尺寸更细小，因此其所产生的解理面明显小于第 1 类螺栓，这也与显微组织观察的结果相符。

　　3 讨论

　　结合拆解现场情况及螺栓宏观形貌观察结果可知，20 根断裂的螺栓中有 13 根具有脆性断口，说明脆性断裂是造成此次中压调节阀紧固螺栓断裂的主要原因。 结合显微组织的观察结果不难看出，螺栓在发生脆 性 断 裂 前 存 在 长 期 的 超 温 过 热 现 象。20Cr1Mo1VTiB 钢作为一种高温热强钢，其设计工作温度通 常 可 达 570 ℃ [6]。 在 许 用 工 作 温 度 以 下，20Cr1Mo1VTiB 钢螺栓拥有优良的持久强度和抗松弛性能，且热脆倾向小，缺口敏感性低。 本研究中，4 号汽 轮 机 组 的 设 计 温 度 为 566 ℃ ， 可 见 选 用20Cr1Mo1VTiB 钢材质的螺栓作为紧固部件刚好满足汽轮机组的使用要求，但是裕度不足。 这势必会造成中压调节阀紧固螺栓长期在超出许用工作温度的条件下运行。 加之中压调节阀紧固螺栓的断裂位置均为螺母端第一扣螺纹牙底处，该部位存在较高程度的应力集中[7?9]。 金属材料在长期超过其许用工作温度的高温环境和低速率应力集中共同作用下会不断引发蠕变老化，并逐渐沿晶界处形成不规则孔洞，进而造成蠕变损伤[10]。 已有研究表明，蠕变损伤通常与材料内部微孔洞或微裂纹的合并和长大有关[11?12]。 蠕变损伤的定义公式为[13]：D = SD/ S (1)式中：SD为孔洞的面积，S 为公称截面积。 由公式(1)可知，随着孔洞面积的不断增加，材料基体内部的蠕变损伤程度将逐渐加剧，伴随着蠕变变形的不断发展，当蠕变损伤累积的一定程度时将形成宏观空洞，并最终引发断裂。

　　此外，螺栓作为机组设计中的易损件，反复安装、安装应力过大及长期高温环境下运行都会使其自身强度不断下降，也在一定程度上增加了中压调节阀紧固螺栓蠕变断裂的几率。

　　为了增加中压调节阀紧固螺栓的安全裕度，建议提升螺栓等级，选用许用温度更高的 R26 型奥氏体不锈钢螺栓，并对相应的垫圈材料进行配套升级。

　　4 结论

　　1) 中压调节阀用 20Cr1Mo1VTiB 钢紧固螺栓均断裂于螺母端第一扣螺纹牙底处，且存在 3 种不同类型的宏观断口形貌，具有脆性断裂特征的螺栓数量较多。

　　2) 螺栓的断裂主要与长时高温环境下引起的蠕变损伤有关。 由于长期高温和低速率应力集中的共同作用，使应力集中程度较高的螺母端第一扣螺纹牙底处组织不断老化，形成蠕变孔洞，导致冲击性能逐渐下降，最终引发蠕变损伤断裂。

　　3) 螺栓的许用工作温度仅略高于汽轮机组的设计温度，裕度不足。 为了增加中压调节阀紧固螺栓的安全裕度，建议提升螺栓等级，选用许用温度更高的R26 型奥氏体不锈钢螺栓，并对相应的垫圈材料进行配套升级。