汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析

董宇

(天津军粮城发电有限公司，天津 300300)

0 引言

某电厂#7机组为N200－130/535/535型、超高压、中间再热、三缸三排汽凝汽式汽轮机，主蒸汽压力为12.74 MPa，主蒸汽温度为535℃。在机组运行过程中，发现高压主汽门有泄露现象，于2005年1月停机进行小修，在拆卸过程中，发现有1条螺栓发生断裂。

断裂螺栓设计材质为20Cr1Mo1VNbTiB，规格为M56mm×265mm，为带中心孔结构。20Cr1Mo1VNbTiB材质是我国自行研制的低合金高强度钢，具有较高的持久强度和持久塑性，抗松弛性能好、热脆倾向小、缺口敏感性低，一般用于制造工作温度为570℃ 以下的高温螺栓。

1 试验

1.1 宏观检验

断裂螺栓外观形貌如图1所示，断裂部位为螺栓第1个螺纹的位置。

图1 断裂螺栓外形

由螺栓断口断面(如图2所示)可以看出:A区分布在螺栓断面外圈的边缘部位，断面粗糙，呈明显结晶颗粒状，为裂纹源部位，显示出沿晶断裂特征;B区颜色深于C区，有人字条纹，是裂纹疲劳扩展期间形成的，为裂纹扩展区;C区为最终扭断时的断裂区。

图2 螺栓断口形貌

1.2 光谱分析

对该螺栓进行光谱分析，符合20Cr1Mo1VNbTiB的谱线特征，未发现错用材质的问题。

1.3 力学性能检验

在螺栓螺杆部距断口约60mm处取3根纵向拉伸试样，按照DL/T 439—2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》的要求进行力学性能试验，试验结果见表1。

表1 力学性能试验数据

对#1试样做粗晶检查，发现断口断裂源为粗晶区。

1.4 硬度试验

在螺栓螺杆部距断口约30 mm处截取圆环试样，在其断面进行硬度试验，试验结果见表2。

表2 硬度值

1.5 金相检验

1.5.1 宏观组织检验

在螺栓螺杆部距断口约30 mm处截取圆环试样，在其端面进行宏观组织检验，结果显示，在螺杆外圈约半圈长度范围内存在0～5mm深度不等的肉眼可见的粗大晶粒，按照DL/T 439—2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》C3.1.2.6的规定，应评定为宏观粗晶，如图3所示。

图3 宏观粗晶

1.5.2 微观组织检验

在螺栓粗晶区进行微观组织观察，金相组织为方向性贝氏体，晶粒粗大，为0级。在螺栓细晶区进行微观组织检验，金相组织为细晶状贝氏体，晶粒度为6级，如图4所示。

图4 螺栓细晶区金相组织 ×100

2 原因分析

在力学性能试验中，#1试样延伸率为0、端面收缩率为0、抗拉强度为872 MPa，对该试样断面圆周进行宏观组织观察，发现该拉伸试样存在粗晶区。而#2试样延伸率为19%、断面收缩率为65%、抗拉强度为902 MPa，均在合格范围内。之所以出现这种现象，是由于试样截取位置和数量受螺栓结构尺寸限制，#1试样部分处在粗晶区，#2试样完全处在细晶区。这同时也说明了粗晶对螺栓性能的影响非常大，粗晶区的存在，使得粗晶区组织晶界非常脆弱，极易产生裂纹源。

该螺栓断口的起始裂纹源恰好处在粗晶区，而粗晶的存在极大降低了螺栓的韧性，成为造成螺栓断裂的裂纹源。由于螺栓工作时，螺纹根部第1圈螺纹处受力最大，因此，在螺栓的第1圈螺纹与粗晶重合的部位，最先发生沿晶开裂，在交变载荷作用下不断扩展，最终导致螺栓开裂，造成紧力不够，门体法兰盘处发生漏汽。由断面B区可以看出，泄漏时的裂纹扩展超过了螺栓断面的60%，因此，在小修拆卸此螺栓时发生断裂。

组织晶粒粗大与螺栓加工时的热处理工艺是分不开的，同时还与螺栓较高的锻造加热温度有关。因此，为防止粗晶出现，应严格控制螺栓的热处理工艺，尽量采取较低的锻造加热温度并严格控制终锻温度，保证有足够的锻造比。

综上所述，螺栓加工过程中热处理工艺控制不当，导致螺栓金相组织产生粗晶，是造成螺栓断裂的根本原因。

3 结束语

20Cr1Mo1VNbTiB钢为我国自行研制的低合金高强度钢，它具较有高的持久强度和持久塑性，抗松弛性能好、热脆倾向小、缺口敏感性低，但是，如果热处理工艺控制不好，经常会出现晶粒粗大的现象，对机组的安全运行造成严重的威胁。因此，对于新螺栓，检查是否存在宏观粗晶非常必要，DL/T 439—2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》要求:对≥M32 mm的新螺栓应进行金相组织抽查，每种规格不少于1件，在条件允许的情况下，可以对新螺栓做100%宏观金相检查，避免由于金相组织不合格而发生断裂。

［1］DL/T 439—2006，火力发电厂高温紧固件技术导则［S］.