摘 要:某電廠在運(yùn)行1.5×105h后,高中壓缸高溫螺栓發(fā)生斷裂。通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性 能試驗(yàn)、斷口分析、顯微組織觀察和能譜分析等方法,分析了螺栓斷裂的原因。結(jié)果表明:螺栓在長(zhǎng) 期高溫和復(fù)雜應(yīng)力作用下,局部晶界處發(fā)生蠕變,材料性能衰退,在機(jī)組運(yùn)行過程中裂紋在蠕變處 萌生,并沿晶界擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

關(guān)鍵詞:高溫;螺栓;蠕變;斷裂

中圖分類號(hào):TK269.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2021)11-0060-03

進(jìn)入21世紀(jì)后,我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,同時(shí)也面 臨著能源緊缺與環(huán)境污染等問題,提高能源利用率 和能量轉(zhuǎn)化效率的最有效手段就是提高裝置的運(yùn)行 參數(shù)[1-4]。螺栓作為汽輪機(jī)汽缸、管道法蘭、各種閥 門等使用的關(guān)鍵零件,不僅在結(jié)合面上承受著防漏 氣所施加的初始預(yù)緊彈性應(yīng)力,還承受著高溫運(yùn)行 及機(jī)組啟停過程中產(chǎn)生的各種靜、動(dòng)應(yīng)力,使螺栓在 運(yùn)行過程中易出現(xiàn)蠕變損傷[5-9]。

某電廠運(yùn)行1.5×105h后,在檢修過程中發(fā)現(xiàn), 高中壓缸高溫螺栓發(fā)生斷裂。筆者通過化學(xué)成分分 析、力學(xué)性能試驗(yàn)、斷口分析、顯微組織觀察和能譜 分析等方法,對(duì)螺栓斷裂的原因進(jìn)行分析,并提出應(yīng) 對(duì)措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該電廠高中壓缸由74支螺栓緊固,采用規(guī)格為 ?120mm×1530mm的雙頭螺柱,設(shè)計(jì)工作溫度 為537℃,螺栓材料為20Cr1Mo1VNbTiB鋼。該 雙頭螺栓的螺紋長(zhǎng)度約為180mm,螺栓的斷裂位 置位于螺紋長(zhǎng)90mm 處,如圖1a)所示。由圖1b) 可見:螺栓斷口平整,斷口被氧化后呈灰黑色,螺紋 斷面垂直于螺栓軸向;從裂紋擴(kuò)展的放射狀條紋特 征來看,裂紋源位于外螺紋根部,裂紋從螺栓外表面 向心部擴(kuò)展,裂紋源部分區(qū)域因磨損而被破壞,瞬斷 區(qū)位于螺栓中心圓孔處。

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

斷裂螺栓的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,為全面分 析斷裂螺栓的力學(xué)性能,在螺栓近斷口處(1號(hào)試 樣)以及螺柱上(2號(hào)試樣)分別截取試樣,進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。由表1可見,螺栓不 同位置處的室溫拉伸性能、布氏硬度以及沖擊韌 性均低于標(biāo)準(zhǔn)要求,沖擊韌性檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值相 差較大。

1.3 斷口分析

利用掃描電鏡(SEM)觀察螺栓斷口的 SEM 形貌。由圖2可見:斷口中裂紋源區(qū)域呈準(zhǔn)解理 開裂和沿晶開裂的特征,可見明顯的二次裂紋;螺 栓裂紋擴(kuò)展區(qū)可見蜂窩狀形貌,在晶界上可見明 顯的蠕變孔洞。

1.4 金相檢驗(yàn)

在螺栓斷口附近及螺栓螺柱取樣,觀察裂紋的 微觀形貌。由圖3可見:在螺栓斷口附近可見沿晶 界擴(kuò)展的二次微裂紋以及在螺栓螺柱沿晶界擴(kuò)展的 微裂紋。

1.5 能譜分析

進(jìn)一步放大觀察,發(fā)現(xiàn)組織中可見塊狀析出物, 其截面呈規(guī)則的四邊形,如圖4所示。對(duì)析出物進(jìn) 行能譜分析,結(jié)果見表2,該析出物主要由碳、氮、 鈮、鈦、釩、鐵組成,推測(cè)該析出物為氮化物。

2 分析與討論

該螺栓在570℃以下具有較高的抗松弛性能、 較高的持久強(qiáng)度和持久韌性,組織穩(wěn)定性好。在工 作溫度為500℃時(shí),螺栓工作1×105h的持久強(qiáng)度 為314MPa。螺栓在服役過程中所受的工作載荷有 以下三種:(1)冷熱緊固應(yīng)力;(2)汽缸溫度分布不均 引起的熱應(yīng)力;(3)蒸汽進(jìn)入汽缸產(chǎn)生的反作用 力[10]。該螺栓的工作應(yīng)力雖未超過螺栓的持久強(qiáng) 度,但在汽輪機(jī)反復(fù)啟停過程中,高壓缸內(nèi)外壁溫差導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生,這時(shí)螺栓的受力為復(fù)雜的熱應(yīng) 力與預(yù)緊力的疊加[11]。

該螺栓在電廠服役長(zhǎng)達(dá)1.5×105h,設(shè)計(jì)工作 溫度為537℃,在長(zhǎng)期高溫和應(yīng)力作用下,螺栓已經(jīng) 發(fā)生蠕變,性能逐漸衰退,尤其是韌性下降明顯,螺 栓外螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中,并在此處形成裂紋源。 隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),在晶界上形成了蠕變孔洞,孔 洞逐漸長(zhǎng)大,裂紋源沿晶界擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺栓 斷裂。

3 結(jié)論

(1)該螺栓斷裂的主要原因是:螺栓在長(zhǎng)期高 溫和復(fù)雜應(yīng)力作用下,局部晶界處發(fā)生蠕變,材料性 能衰退,在機(jī)組運(yùn)行過程中裂紋在蠕變處萌生,并沿 晶界擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

(2)建議加強(qiáng)對(duì)高溫螺栓在檢修過程中的無損 檢驗(yàn),開展螺栓的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)和硬度試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉啟民.600MW 汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸螺栓可靠性研究 [J].能源與節(jié)能,2015(4):168-171,178.

[2] 歐陽杰,張曉昱,吳楠,等.12%Cr鋼高溫螺栓長(zhǎng)期運(yùn) 行后的組織與性能[J].金屬熱處理,2010,35(8):84- 87.

[3] 毛磊,張道鋼,李金峰,等.2CR12NIMOWV鋼高溫緊 固螺栓脆化與恢復(fù)[J].機(jī)械工程材料,1998.22(4): 48-50.

[4] 徐鴻,鄭善合,MAILEKarl.超(超)臨界汽輪機(jī)汽缸 緊固螺栓疲勞-蠕變斷裂的研究[J].中國電機(jī)工程 學(xué)報(bào),2007,27(32):63-66.

[5] 黃友橋,王飛,彭以超,等.汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸緊固螺栓 高溫?cái)嗔咽г蚍治鯷J].浙江電力,2018,37(5): 79-84.

[6] 周偉龍,彭以超,何志瞧,等.某660MW 超臨界機(jī)組 過橋汽封螺栓斷裂原因分析[J].浙江電力,2019,38 (9):43-50.

[7] 徐鴻,鄭善合,MAILEKarl.超(超)臨界汽輪機(jī)汽缸 緊固螺栓高溫蠕變斷裂研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007,27(29):80-83.

[8] 喻超,王煒哲,張軍輝,等.超超臨界機(jī)組高壓內(nèi)缸蠕 變強(qiáng)度分析[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2014,34(5):365- 370.

[9] 史文博,杜靜,龔國偉.風(fēng)電機(jī)組主軸法蘭螺栓連接疲 勞損傷分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2020(4):226-229.

[10] 張棟.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[11] 張曉昱,歐陽杰,吳楠,等.基于加速蠕變斷裂試驗(yàn)的 12%Cr鋼高溫螺栓安全可靠性評(píng)價(jià)研究[J].汽輪機(jī) 技術(shù),2009,51(4):318-320.

<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>57卷>11期(pp:60-62)>