浅谈火力发电厂高温紧固件在金属监督中存在问题的分析

邱冬

（江苏新海发电有限公司，江苏 连云港 222023）

浅谈火力发电厂高温紧固件在金属监督中存在问题的分析

邱冬

（江苏新海发电有限公司，江苏 连云港 222023）

对于火电厂而言，高温螺栓断裂问题是由于其长期处在高温大应力状况下造成的常见事故，其对机组运行稳定性破坏最大。作者对上海锅炉厂的1 000 MW机组高压调门螺栓发生断裂的原因，从材质残留的检验结果进行力学性能和金相分析，并提出针对性的预防措施。

1 000 MW机组；高强螺栓；失效分析

对于火电厂而言，高温紧固件的可靠稳定性对安全生产至关重要。需根据运行的静态跟踪对整个机组进行金属监督。高温紧固件处于运行状态时受到温差、应力变化和环境介质的多重影响而逐渐老化，以致失效。

通过多种方式从宏观、微观及力学性能等金相分析方面，对失效试样进行试验分析，查找高温螺栓断裂失效的原因。

1 失效情况

某公司使用上海锅炉厂的1 000 MW机组，自投产以来运行平稳。但去年机组发生明显异常振动，企业安排人员进行检修。机组拆解后发现高压调门螺栓有3 根出现断裂。

据观察，其断裂部位基本相似，几乎处于光杆同一位置，距上螺栓约为50～110 mm。在此，笔者取试样（以下记为：1#试样、2#试样，其他类似），并对螺栓断裂的情况和原因进行失效分析。

2 主要试验

2.1 整体形貌

断口反映了失效零件在断裂过程中抵抗变形的能力，呈现了断裂后的痕迹。通过对断口分析，不仅得到材质概况，还可总结其力学状况，对断裂源及裂纹扩张方向进行判断和总结，从而找到断裂原因。

笔者借助光镜发现，1#试样断口呈暗灰色，无明显塑性变形，断口基本与受力方向垂直，内壁出现裂纹源形状，扭力终断区位于边缘，呈现脆断状态。2#试样除具备以上特征外，还有疲劳断裂痕迹，隐约可见贝壳纹显示。为了进一步观察断口形貌，笔者利用电镜观测后发现1#和2#试样出现主、次裂纹的不同呈现状态，且立体感强烈，呈现沿晶脆断状态。

对于断口出现的烧蚀状况笔者也进行了分析研究。纵刨后发现，呈现凹坑状态，且坑深较大，有金属飞溅痕迹，出现微裂纹，呈放射状态。2#试样也出现烧蚀坑，且发现金属飞溅痕迹，但不同的是，烧蚀坑较浅，面积比1#试样状态明显。

2.2 成分分析

依照GB/T4336-2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法》 ，对其测定化学成分。对试样断口分别取样，按照火花源发射光谱法测定化学成分分析试验后发现，无论对于1#试样还是2#试样而言，试样组成成分（C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等）均与标准规定参数相符合。

2.3 力学性能

金属力学性能的实验依据是GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T229《金属夏比缺口冲击试验方法》。

2.3.1 布氏硬度

硬度检验依据GB/T231《金属布氏硬度试验方法》，试样固溶+时效供应状态HB10/3000应大于或等于331。

本次试验在断口横断面分三个位置取样并对对测点打磨，直到被测试样的表面达到平整、光滑和清洁要求。并对测量位置每个部位要测三点，取其平均值。

通过测量后发现，对于1#试样而言，试样内壁布氏硬度测量值为427，外壁内侧为420，内外壁中间位置硬度测量值为417，可见1#试样断面处布氏硬度达到标准规定；同样对2#试样而言，其内壁布氏硬度测量值为432，外壁内侧测量值约为437，内外壁中间位置测量值为435，由此可知 2#试样断面处布氏硬度偏于下限值，硬度在长时间地温度作用下有下降趋势，但是也已达到标准规定。

2.3.2 力学性能试验

试样断口形貌也可以不仅反映出材料抵抗外力的能力，也可以反映出零部件在使用过程中发生失效后的材料性质和状况，进而为断裂源及扩展方向的判断指明依据。

将试样截成2 件试棒（编号为1-1#、1-2#和2-1#、2-2#），然后进行高温力学性能试验。对以上试样分别进行了抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、断后伸长率Z和断面伸长率A等项目的试验，对于试样断裂处的形貌观察发现，1-1#、1-2#和2-1#、2-2#试样对于冲击韧性性能而言，均低于标准值，但是平均值却高于标准值，其他各项指标均满足标准要求。

2.4 组织金相观察

为了研究试样内部组织变化情况，制备试样，笔者也进行了金相组织观察。试样未腐蚀时，通过观察其横截面发现，表面裂纹沿内壁烧蚀处向外扩展。对试样进行腐蚀试验后，发现试样均出现沿晶裂纹，无明显塑性变形，不过2#试样晶粒稍小，沿晶裂纹呈龟裂形状。参考相关资料发现，试样处于正常状态。

2.5 综合分析

在机组强电流加热过程中，若加热棒的保护套瞬爆，会产生电火花。这直接击穿介质，在螺栓内壁起弧而熔化。随着能量的释放，灼伤螺栓内孔，进而增大螺栓的烧损。螺栓内外表面的温差造成温差应力差，这将引起微观组织变化，性能下降。进而引起螺栓断裂失效。

3 预防措施

（1） 为了使加热元件受热均匀，需要更改螺栓热紧工艺，利用涡流感应加热。

（2） 生产过程中，提高螺栓螺纹结合面的加工精度和表面质量，以减小应力集中现象。

4 结论

通过分析发现，在高温、设备震动应力等因素影响下，热紧高压调门螺栓时电加热棒出现破损，进而烧蚀螺栓内壁，此举萌生及扩展了螺栓内部微裂纹，并以此为裂纹源。当螺栓受到横向冲击时造成损毁，这是螺栓失效的主要原因。

［1］ DL/T439-2006. 火力发电厂高温紧固件技术导则［S］.

［2］ 徐晓伟.电站连接螺栓断裂原因分析［J］. 金属热处理，2007，（S1）：149～151.

［3］ 王自勤.螺栓应力应变及疲劳寿命分析［J］. 国防科技大学学报，2001，（4）.

Analysis of existing problems of high temperature fasteners in metal supervision at thermal power plant

TM621.7

1009-797X （2015） 20-0084-02

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.020

邱冬（1986-），男，本科，助理工程师，研究方向为火力发电厂金属焊接。

2015-09-06