汽轮机螺栓断裂失效分析

王华刚

（中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

2018 年5 月，某石化公司热电厂汽机车间，1号蒸汽汽轮机（型号：EHNG50/63/0）的1 个汽缸紧固螺栓（双头螺柱，编号6#）发生断裂（图1）。1号蒸汽汽轮机于1986 年投入使用，30 多年里累计运行约20 万小时，累计启停机次数约200 次，蒸汽温度535 ℃。断裂螺栓规格M90×6 mm×515 mm，材料25Cr2Mo1VA，螺栓采用电加热形式拆装。2011 年8 月汽轮机检修时拆装过螺帽（螺栓未拆），并且现场里氏硬度计检测螺栓硬度为275 HBW，2011 年运行至2018 年未再进行检修，发现螺栓断裂。为了查明汽轮机螺栓断裂的原因，针对断裂螺栓进行了各种检测和失效分析，以便采取相应的技术措施，消除类似的安全隐患。

图1 机组解体后

1 螺栓宏观检查分析

观察螺栓断裂形貌，截取6 个断口试样，试样用超声波清洗干净，其中3 个进行含缓蚀剂酸洗除锈，用体视显微镜观察分析的螺栓断口形貌特征：①螺栓断裂位置在其一端螺纹尾部，该处也是螺栓受力最大的位置（图2）；②螺栓断口与轴线垂直，断口表面比较平整，基本无塑性变形，呈现出脆性断裂特点（图3）。

图2 断裂螺栓的侧面形貌

图3 断裂螺栓的断口形貌

螺栓的整个断口分裂纹起始源区、扩展区和最后瞬断区3个区域。螺栓裂纹起始源区位于断口一侧的螺纹根部，向另一侧扩展至边缘后断裂。这说明螺栓承受的轴向载荷圆周不对称，在裂纹源区一侧高于另一侧，即螺栓承受偏心弯矩作用。

断口源区的另一侧瞬断区有一块高温加热影响区域，断口侧面形貌也显示出4 cm 长度的类似于焊接或者气割的螺纹损伤痕迹。根据车间了解，本次拆卸并未对螺栓进行焊接或者气割，应该是以前拆装时造成的。酸洗后的螺栓断口形貌既显示出宏观裂纹扩展时形成的条带，又显示出低倍微观的小麻坑，说明螺栓断裂可能与应力腐蚀、高温疲劳、高温蠕变等失效机理有关。

2 螺栓断口微观检测分析

将6 个断口试样用离子溅射仪喷金导电处理，用扫描电镜分析6 个断口微观形貌，用能谱仪检测3 个未酸洗试样的断口表面腐蚀产物成分（图4）。螺栓的未酸洗断口表面氧化腐蚀严重，覆盖一层较厚的腐蚀层，遮盖了原始断口表面的微观形貌，旧扩展区断口表面比较平坦，蠕变韧窝较浅；而新扩展区断口表面布满了大大小小的蠕变韧窝。螺栓的未酸洗断口表面的腐蚀产物主要为铁的氧化物，未发现S、Cl 等其它应力腐蚀敏感元素，说明螺栓不会发生应力腐蚀开裂。

图4 未酸洗试样的源区断口微观形貌（50 倍）

经过酸洗以后，露出螺栓的原始断口微观形貌，螺栓的旧扩展区断口微观形貌为准解理特征，高温蠕变韧窝特征不明显，说明螺栓萌生裂纹以及扩展初始阶段，早期启停机产生的疲劳占据主导因素，高温蠕变起到辅助作用。螺栓的新扩展区断口微观形貌为韧窝孔洞，准解理形貌基本消失，说明螺栓裂纹扩展后期，有效承载截面积减小，高温蠕变起主导作用，进入一个快速扩展的阶段。

3 螺栓硬度检测分析

在螺栓上截取5 个试件，用布氏硬度计检测硬度，每个试件测3 组硬度值（表1）。5 个螺栓试件的硬度总平均值为279 HBW，按照标准DL/T 439—2006，螺栓材料25Cr2Mo1V 的硬度范围为248～293 HBW，螺栓硬度虽然偏高，但仍在技术要求范围内，符合硬度要求。

表1 螺栓的硬度检测结果HBW

4 螺栓冲击功检测与断口分析

按照标准GB/T 229—2007，在螺栓上截取3 个U 形缺口冲击 试 件（10 mm ×10 mm ×55 mm），利用摆锤冲击试验机，测试螺栓试件的冲击功Ak。对比相关标准DL/T 439—2006，螺栓材料25Cr2Mo1V 的冲击功Ak≥47 J。螺栓试件的冲击功Ak 检测值最大为16.0 J，最小为8.0 J，平均值为8.33 J，远低于标准要求的47 J，显然螺栓的脆性很大。冲击试验后的螺栓试件被完全冲断，试件断口无塑性变形痕迹，显示出脆性断裂特征。冲击试件的断口微观形貌为脆性的解理类型，还有一些沿晶开裂特征，这说明螺栓材料脆性很大。冲击试件的断口里发现了一些带状非金属夹杂物，其由很多个小颗粒夹杂物组成，这种类型夹杂物大大削弱了材料强度，增大材料脆性。

5 分析结论

（1）根据螺栓的断口宏观形貌和微观形貌特征判断，汽轮机多年里的上百次启停机疲劳导致螺栓产生裂纹；随后裂纹的前期缓慢扩展阶段（对应断口旧扩展区）以疲劳为主，蠕变为辅；裂纹的后期快速扩展阶段（对应断口新扩展区）完全以蠕变为主，所以，螺栓的断裂失效性质为疲劳+蠕变的复合类型。

（2）螺栓材料中含有较多的带状（B 类2.5 级）非金属夹杂物，不但会减低螺栓的承载强度，而且会增大螺栓的脆性，这是造成螺栓断裂的主要原因之一。螺栓处于500 ℃高温环境，恰好处于合金钢第二类（高温）回火脆性（450～650 ℃）范围，螺栓长期（20 万小时）使用造成其逐渐产生回火脆性，这也是造成螺栓断裂的主要原因之一。螺栓断口显示其承受偏心载荷，造成紧固载荷偏心的可能性有：螺母端面不平造成紧固时偏心，螺栓以前拆装时加热产生轻微弯曲。偏心载荷是造成螺栓断裂的次要原因。

（3）针对以上失效原因，采取了再次抽查其他规格未断汽缸螺栓，检测其冲击韧性和金相组织，对冲击功很低并且组织中夹杂物较少的螺栓，重新进行热处理以消除回火脆性；对螺栓冲击功很低并且组织中夹杂物过多的螺栓，进行报废并更换新的汽缸螺栓，这些措施保证了汽缸螺栓未再发生断裂事故。