汽轮机高温螺栓断裂原因

陈亮平, 何朋非, 张仁魁

(湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司, 长沙 410000)

随着国内火力发电机组装机容量和热效率的不断提高，汽轮机的蒸汽压力也越来越高，这对汽轮机高温部件的材料性能也提出了更高的要求。比如汽轮机上的高温螺栓在保证气缸中分面的气密性上发挥着重要的作用，高温螺栓一般采用高温性能优异的热强材料制造[1-2]。20Cr1Mo1VNbTiB钢为珠光体热强钢，其具有较高的持久强度和较好的抗松弛性能，常用于制造汽轮机的高温螺栓[3-5]。

某电厂的发电机组在运行过程中,其中联门高温螺栓发生断裂失效，该机组运行时长47 341 h，螺栓材料为20Cr1Mo1VNbTiB钢，螺栓规格为M56 mm×4 mm×310 mm。笔者对该断裂螺栓进行了一系列检验和分析，并选取另外一个同批次、同材料的未断裂螺栓进行对比，找出了该高温螺栓的断裂原因，以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂螺栓的整体形貌和断面形貌如图1和图2所示。可见断裂部位在螺栓杆部，断口距端面约130 mm。断面平整，呈颗粒状，无塑性变形，为典型的脆性断口。观察螺栓外表面，可见螺纹表面光滑，无凹痕、裂纹、锈蚀、毛刺或其他引起应力集中的缺陷。

图1 断裂螺栓的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt

图2 断裂螺栓的断口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

1.2 化学成分分析

在断裂螺栓和对比螺栓的螺杆中部进行线切割取样，将切割面在砂纸上磨平并用酒精清洗后，采用牛津FOUNDRY-MASTER Pro型全谱立式直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果见表1。可见其化学成分符合DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》对20Cr1Mo1VNbTiB钢的成分要求。

表1 螺栓的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of bolts (mass fraction) %

1.3 力学性能试验

在断裂螺栓和未断螺栓上分别取硬度试样、拉伸试样和U型缺口冲击试样，采用UTM5105型万能材料试验机对其进行室温拉伸试验，测定其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，采用JBN-300型冲击试验机测定其室温冲击吸收能量，采用HB-3000型布氏硬度计测定其布氏硬度，试验结果见表2。结果表明，螺栓的硬度、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均符合标准要求，但是断裂螺栓的冲击吸收能量仅为25 J，远低于标准要求，表明断裂螺栓材料的脆性大，抵抗冲击载荷的能力低。未断裂螺栓的冲击吸收能量为86 J，符合标准要求。

表2 螺栓的力学性能试验结果Tab.2 Mechanical properties test results of bolts

1.4 宏观组织检验

按DL/T 439-2018推荐方法对断裂螺栓和未断裂螺栓的端面及断裂螺栓断口处横截面进行宏观组织检验，如图3所示。在不同角度的光线下断裂螺栓端面及断口处横截面均呈现出不同色泽与光亮度的多边形颗粒斑块，肉眼可见粗大的晶粒，采用放大镜观察可知晶粒平均直径在2 mm以上，即断裂螺栓的组织由宏观粗晶组成。

20Cr1Mo1VNbTiB钢粗晶的形成与制造、热处理等生产工艺有关，属于过热组织。热加工过程温度达到Ac1(珠光体向奥氏体转变的初始温度)以上，或钢材多次加热至奥氏体再结晶温度以上后快速冷却就会形成粗晶。在长期高温高压环境下，过热组织中碳化物逐步析出，会使材料的冲击韧性下降。

1.5 金相检验

在螺栓螺杆部位取样进行金相检验，如图4所示。可见断裂螺栓的显微组织为贝氏体，晶粒度级别为1级，晶内的排状贝氏体交叉分布，呈框架状结构。未断螺栓的显微组织为细晶状贝氏体，晶粒度级别为5级。金相检验结果表明断裂螺栓的晶粒度级别不符合DL/T 439-2018《大力发电厂高温紧固件技术导则》中晶粒度级别为5级的要求。

图4 螺栓的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of bolts:a) microstructure morphology of the fractured bolt; b) microstructure morphology of the unfractured bolt

1.6 断口分析

采用JSM-6360LV型扫描电镜观察断裂螺栓的断口形貌。断口形貌如图5a)所示，断口表面已被致密氧化物完全覆盖，通过能谱分析得知该氧化物为Fe2O3，能谱(EDS谱)如图5b)所示。由于断裂螺栓在运行过程中断裂，断口长时间暴露在高温环境下，致使断口表面生成致密的氧化膜，因此螺栓的断裂信息很难从断口上直接观察。笔者通过拉伸和冲击试样的断口来观察材料的断口形貌，判断螺栓的断裂模式。

图5 断裂螺栓的断口微观形貌及能谱分析结果Fig.5 Micro morphology and energy spectrum analysis results of fracture of the fractured bolt:a) micro morphology of fracture; b) EDS spectrum

将拉伸和冲击试样的断口置于扫描电镜下观察,拉伸和冲击试样断口形貌如图6所示。其中图6a)和图6b)为低倍下的拉伸和冲击断口形貌，可见拉伸断口断面剪切唇区很小，约占断裂面积的15%，整个断面以放射区为主，基本没有纤维区，通过断口宏观形貌判断该材料的韧性很差。图6c)为高倍观察下的拉伸断口形貌，断面以解理为主，少量韧窝夹杂其中，整个断面形貌符合准解理断裂特征。图6d)为高倍观察下的冲击断口形貌，可见断面基本为放射区，整个断面大多为解理面。图6表明试样断裂属于解理断裂，说明材料脆性很大。

图6 拉伸和冲击试样断口微观形貌Fig.6 Micro morphology of fracture of tensile and impact specimens:a) low magnification morphology of fracture of tensile specimen; b) low magnification morphology of fracture of impact specimen;c) high magnification morphology of fracture of tensile specimen; d) high magnification morphology of fracture of impact specimen

2 分析与讨论

由以上理化检验结果可知，螺栓化学成分、室温拉伸性能、硬度等指标符合标准要求。断裂螺栓组织晶粒粗大，晶粒度级别为1级，晶内交叉分布的排状贝氏体呈框架状结构，导致材料脆性很大；拉伸和冲击断口的断裂特征表明材料为解理断裂，加上冲击吸收能量远低于标准要求，再次证明材料脆性很大。汽轮机高温螺栓在高温、高应力、蒸汽腐蚀等复杂工况下工作，这要求螺栓材料具有较高的高温蠕变持久强度、较低的线膨胀系数、较好的抗松弛性能、良好的抗应力腐蚀能力、较低的缺口敏感性及较好的抗氧化性能。而该断裂螺栓材料存在粗晶，因此其组织异常导致了材料脆性过大，不能承受启、停机及机组负荷波动带来的冲击应力。

3 结论及建议

该汽轮机的高温螺栓的晶粒较粗大，且长期在高温高压环境下服役，造成碳化物逐步析出、材料冲击韧性下降，在机组启、停机及机组负荷波动带来的冲击应力下，该高温螺栓发生了脆性断裂。

建议火电厂在进行机组检修时，对汽轮机高温螺栓进行100%超声检验、100%硬度检验，对超声检验和硬度检验结果不合格的螺栓，予以更换。