汽轮机调速气阀高温紧固螺栓断裂失效分析

汽轮机调速气阀高温紧固螺栓断裂失效分析

牛贵法,吴德强

淄博齐翔腾达化工股份有限公司 山东省淄博市 255400

摘要：某火电厂在机组检修期间发现汽轮机调速气阀高温紧固螺栓断裂失效，对嘶口表面进行宏观检测、金相检测、化学成分分析、力学性能及扫描电镜检测。结果表明，高温紧固螺栓热处理工艺不当造成晶粒粗大，引起材料塑性及初性降低：机组频繁启停及温度变化造成热应力集中，螺栓材料塑性降低，在应力集中处萌生裂纹并逐步扩展，最终导致螺栓断裂失效。提出合理设计螺栓热加工工艺、优化螺检结构等建议。

关键词：调速气阀；螺栓断裂；热加工

火电厂汽轮机高温紧固螺栓主要包括高中压内外缸螺栓、高压导汽管螺栓以及高中压汽阀螺栓，在机组运行过程中，高温紧固螺栓承受高温、高压及巨大应力，以确保缸体及阀体密封良好，因此需要具备良好的高温力学性能。一旦大部分高温紧固螺栓发生断裂，会造成大量高温、高压蒸汽发生泄漏，将会对人员及设备造成重大伤害，因此对高温紧固螺栓断裂原因进行分析显得尤为重要。

1.试验材料及方法

试验材料为汽轮机中压调速汽阀紧固螺栓，螺栓规格为M33mm×273mm,材质为20Cr1Mo1VTiB钢。本文对断裂螺栓断口宏观形貌进行观察，利用断口扫描电镜(SEM)对断口形貌进行观察。利用SPECTROMAXx型台式直读光谱仪对中压调速汽阀螺栓进行全元素化学成分分析。利用Axio Observer.A1m型光学显微镜对中压调速汽阀螺栓取样进行显微组织检测。利用ZBC-300B型数字冲击试验机，对断裂的中压调速汽阀螺栓取样进行常温冲击性能测试，其中1号螺栓取样位置为螺栓中间区域，2号螺栓取样位置为螺栓边缘区域。

2.检测及分析

2.1宏观形貌

对断裂的中压调速汽阀紧固螺栓进行宏观形貌观察，见图1。可以看出，两条螺栓均断裂于靠近螺纹的中间柔性杆部位置，螺栓表面的高温氧化现象比较严重。断口粗糙，未见明显的塑性变形，断口表面氧化锈蚀现象严重。1号螺栓试样的断口外圈边缘为粗大晶粒形貌，截面中间为细晶粒形貌。2号螺栓试样的整个断口截面均为明显的粗大晶粒形貌。两螺栓的断口及附近均未见明显的机械损伤及腐蚀损伤等缺陷，整体呈现较为典型的脆性断裂特征。

图1断裂螺栓的整体情况(a)、断裂位置(b)和宏观断口形貌(c,d)

2.2化学成分

利用SPECTROMAXx型台式直读光谱仪对中压调速汽阀螺栓试样进行化学成分检测，检测数据见表1。结果表明，2号螺栓试样的化学成分中各元素含量与DL/T439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》对20Cr1Mo1VTiB钢化学成分的要求相符合。

表1 2号失效螺栓的化学成分(质量分数，%)

2.3断口形貌

利用扫描电镜(SEM)对中压调速汽门螺栓2号试样的断口形貌进行检测，如图2所示。可以看出，螺栓断口表面呈现粗大的晶粒状，具有明显的沿晶断裂形貌特征。同时可以发现断口形貌有许多反光的解理面，同时伴有二次裂纹，且可以观察到河流花样，存在脆性解理断裂的特征。因此可以推断螺栓的断裂形式为脆性断裂。

图2 2号失效螺栓的微观断口形貌

2.4显微组织

在2个中压调速汽阀螺栓试样断口附近分别取样，利用光学显微镜进行显微组织检测，如图3所示。可以看出，1号螺栓试样整个横截面的组织为具有双重晶粒度的混晶组织。边缘为粗大的框架状贝氏体结构，束状铁素体变短，晶粒度为1级，中间区域的组织为细晶状贝氏体，晶粒度为5级，如图3(a,b)所示。2号螺栓试样整个横截面的组织几乎均为粗晶组织，具有框架贝氏体结构特征，晶粒度为1级，如图3(c,d)所示。

图3 1号(a,b)和2号(c,d)失效螺栓的显微组织

2.5力学性能

对断裂的中压调速汽阀螺栓取样进行常温冲击性能测试。表2为失效螺栓的常温冲击吸收能量，可以看出，1号螺栓的冲击吸收能量符合标准要求，但2号螺栓的冲击吸收能量远低于DL/T439一2018的要求。由于1号试样取样位置为细晶区域，2号试样取样位置为粗晶区域，表明粗大晶粒大大降低了材料的冲击性能，使螺栓承受冲击载荷的能力降低。

表2失效螺栓的常温冲击性能

3.失效分析

从断口形貌分析，中压调速汽阀螺栓断口整体呈现较为典型的粗大晶粒状的脆性断裂特征。断口微区特征显示，断口上绝大部分区域呈现脆性开裂的微观特征，且晶粒粗大，同时伴有二次裂纹。

从化学成分分析，中压调速汽阀螺栓化学成分中各元素含量符合相关标准要求。排除用错材质问题。

从显微组织分析，中压调速汽阀螺栓整个横断面的组织为具有双重晶粒度的混晶组织，绝大部分区域为粗大的贝氏体组织。

从力学性能分析，螺栓粗晶区的室温冲击吸收能量远低于标准要求，而细晶区的室温冲击吸收能量满足标准要求。表明粗大晶粒大大降低了材料的冲击性能，使中压调速汽阀螺栓的冲击性能严重不足，在机组运行过程中承受冲击载荷的能力严重下降。

综合以上分析，本次汽轮机中压调速汽阀紧固螺栓断裂的主要原因是螺栓组织晶粒粗大，冲击性能远低于标准要求，在中压调速汽阀频繁动作产生的冲击载荷作用下发生沿晶开裂并以脆性解理断裂方式扩展，直至整体断裂失效。

4讨论

20 Crl Mo1 VNbTiB钢是我国自行研制的一种贝氏体高温热强钢，高温强度高、抗松弛性能好，且持久塑性好，热脆倾向小，缺口敏感性低，具有良好的综合性能，被广泛应用于火力发电厂温度在570℃以下的高温紧固螺栓，这种螺栓供货态一般为调质处理，调质后的显微组织为回火贝氏体 可能的少量珠光体。

20 Crl Mo1VTB钢具有良好的高温持久强度，赵孟雅等通过研究长期时效对20Cr1Mo1VTiB钢的组织和力学性能的影响模拟螺栓在长期服役期间的组织性能变化。结果表明，20Cr1Mo1VTiB钢在500℃时效2000h后，力学性能没有大幅度的变化且保持着较高的数值，表明其可在高温下长期服役。

但是20Cr1Mo1 VNbTiB钢具有严重的组织遗传性，极易产生粗晶现象，在热变形过程中，热变形温度对晶粒组织变化有显著的影响，在锻造加工过程中如果加热温度过高，将使奥氏体晶粒粗大，此外若加工温度过高，也会导致奥氏体在形变和再结晶后晶粒聚集长大。因此要严格控制加热温度与加工温度，以获得细小均匀的珠光体组织。此外，锻造后应立即进行缓冷，若缓冷工序没有及时进行，在钢的表面区域不能充分地发生铁素体和珠光体分解过程，从而得到粗大的贝氏体组织。贝氏体组织稳定性好，在后续的热处理过程将仍保持原始粗大的组织，最终产生混晶组织。

5.防护建议

5.1合理设计螺栓热处理工艺

20Cr1Mo1VTiB是我国自行研制的贝氏体耐热钢，被广泛应用于蒸汽温度570℃以下电站的高温螺栓，但由于其晶粒粗大使得塑性及韧性较低。粗晶属于过热组织，粗晶的产生与热处理工艺有关，有粗晶组织的钢材按照常规热处理工艺很难消除粗晶组织，这一现象称为组织遗传。要消除粗晶组织，关键要消除新旧相之间晶体学位向关系。新相贝氏体与母相奥氏体遵循K-S晶体学位向关系，即原始组织粗大，形成奥氏体晶粒也粗大，只有经历无切变转化才能切断这种组织遗传，得到粗晶组织。

5.2合理优化螺栓结构

高压紧固螺栓尽量采用细腰设计，保证过渡圆角的设计质量：避免形成退刀槽：降低螺栓固定端第一螺纹应力：螺栓表面要光滑，无裂纹、凹凸、毛刺等缺陷。

5.3螺栓安装采取紧固工艺

安装高温紧固螺栓时，应当采取紧固应力偏差小的紧固方式，例如采用液压扳手和风动扳手紧固，以保持较高的紧固精度。同时，螺栓与法兰应垂直，螺帽及垫片结合面不能倾斜，避免螺栓紧固过程中产生倾斜，形成较大弯曲应力。

6.结语

综合试验结果及分析讨论，此次高温紧固螺栓断裂的主要原因为，20Cr1Mo1VTB钢螺栓在制造阶段的锻造温度过高或淬火温度过高造成组织晶粒粗大，引起材料冲击性能降低，在中压调速汽阀频繁动作产生的冲击载荷作用下沿粗晶部位开裂，并以脆性解理断裂方式扩展，直至螺栓整体断裂。

参考文献：

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