汽轮机主汽门螺栓断裂失效分析

陈 树，吴旭炜

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

某电厂3#机组B 侧主汽门双头螺栓在使用中发生断裂，螺栓规格为M64×3 mm，中心带孔，长度为410 mm，材料为20Cr1Mo1VnbTiB，工作温度为535 ℃，断裂位置位于一侧螺纹第一牙处。

1 试验检验

1.1 宏观分析

1.1.1 宏观检验

断裂螺栓试样断面宏观形貌如图1 所示，可见断面整体氧化及磨损较严重，并附着有熔化后的金属液，上面密布的圆形凸起可能是由于拆卸断裂螺栓时火花飞溅引起的。根据断面形貌分布的情况，可将其分为A、B、C 三个区域。其中，A 区域呈流线型，有明显的边界，略凹陷于主断面，推测为疲劳开裂起始区；B 区域较平坦，基本没有起伏，分布有较多的沙滩状条纹，并且垂直于疲劳扩展方向分布，面积占比最大，应为疲劳扩展区；C区域有明显撕裂棱，在与B 区交界处可见撕裂台阶，在断面边缘处伴有剪切唇形貌，整体走势分布较陡，为最终快速破坏区。

图1 螺栓断面宏观形貌

1.1.2 低倍检验

断裂螺栓来样外观如图2所示，断裂部位为右侧螺纹第一牙处。在靠近螺栓断面处截取一段试样进行试验分析。

图2 断裂位置和取样位置

使用20%硝酸溶液浸蚀后，截面低倍组织形貌如图3 所示。可见整个截面中心及边缘均分布有异常粗大的晶粒组织，呈白亮色，如箭头所指。根据DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中规定：如果低倍组织为混晶，当宏观粗晶或套晶的面积大于5%时，应按照宏观粗晶或套晶评定。图3 所示为明显的混晶结构，而且宏观粗晶或套晶的面积大于5%，所以按标准以宏观粗晶或套晶对其进行评定[1]。

图3 截面低倍组织形貌（经20%硝酸溶液浸蚀）

1.2 光谱分析

在来样上截取试样进行光谱分析，结果见表1。对比DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VNbTiB 的化学成分标准数据，该螺栓化学成分符合要求[1]。

表1 光谱分析试验数据 wt%

1.3 力学性能试验

1.3.1 室温冲击试验

在来样1/2 半径处取3 件纵向室温冲击试样，开U 形缺口，对其进行室温冲击试验，试验结果见表2。对比DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VNbTiB 的冲击标准数据，材料的冲击性能远低于要求值[1]。

表2 室温冲击试验数据

1.3.2 布氏硬度检测

在来样心部进行布氏硬度测试，测试结果见表3。对比DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VNbTiB 的布氏硬度标准数据，材料的布氏硬度值符合要求[1]。

表3 布氏硬度测试数据

1.4 金相检测

标准要求在已经进行过低倍组织检验的端面上，选取有代表性的部位进行微观组织检验，外表面低倍形貌如图4 所示，可见试样外表面覆盖有一层较均匀的氧化层，厚约0.2 mm，外表面较平整，未发现明显的腐蚀或损伤痕迹。

图4 外表面低倍形貌

观察粗晶区组织，可以发现存在较多粗大晶粒（图5），且晶粒晶界清晰，尺寸大于GB/T 6394—2017 规定的00 级。放大后可见其组织为贝氏体+铁素体，粗大贝氏体呈交错排列，中间夹杂部分铁素体，为脆性组织（图6）。不符合标准对于套晶的定义：低倍组织为宏观粗晶，而实际晶粒大小为微观细晶，即在一个宏观粗晶中包含许多细小的晶粒。因此根据DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》，晶粒分级可评为非套晶结构2 级，即宏观粗晶。

图5 粗晶区形貌（100×）

粗晶与细晶交界处形貌见图7，可见图片上半部分为粗晶区、下半部分为细晶区，二者界线明显。

观察细晶区组织，放大后组织形貌见图8，组织为细晶状贝氏体。根据DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》，晶粒分级可评为非套晶结构5 级，即微观细晶。

图8 细晶区组织形貌（500×）

故材料不符合DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》的要求：组织不应存在套晶结构，非套晶结构5 级合格[1-3]。

1.5 扫描电镜分析

对断口进行扫描电镜分析，断口起始区低倍形貌见图9，其右下方为起始区，与左上方的扩展区有明显的界线，起始区靠近外表面处不太平整，颜色较深，为先期破坏长期氧化所致。断口扩展区疲劳条带见图10，可见此处疲劳条带平行分布，间距较均匀，处于快速扩展阶段，表明该断口的破坏形式为交变载荷作用下的疲劳断裂。

图10 断口扩展区疲劳条带形貌（SEI）

1.6 试验总结

由宏观分析可知，螺栓整体存在混晶现象，其中，大多数为细晶区，少数粗晶区呈弥散分布；断面起始于螺栓一侧边缘，呈疲劳破坏形态。根据化学分析的结果可知，材料符合20Cr1Mo1VNbTiB的成分要求。根据力学性能结果可知，材料的布氏硬度值数值符合要求值，而冲击性能远低于要求值。根据金相分析的结果可知，材料的粗晶与细晶的晶粒度及组织差异很大，粗晶中的组织包含脆性相。由扫描电镜分析结果可知，该断口的破坏形式为交变载荷作用下的疲劳断裂。

2 建议

对于20Cr1Mo1VNbTiB 的热处理要求相对较高，一旦温度及时间控制不当，很容易产生局部大片粗晶，严重影响材料的韧性，极大地增加开裂的风险。因此，对于该材料螺栓的质量检验尤为重要，建议加强对同批次或相同位置螺栓的监督和检验，至少抽取20%数量的螺栓进行金相组织检验，在螺栓端面进行晶粒度级别检验，不应存在套晶，非套晶结构应为5 级。对于新螺栓，有条件的话可以进行100%检验[1-3]。

3 结论

汽轮机主汽门双头螺栓在螺纹处存在的宏观粗晶是引发其疲劳开裂的主要原因。在螺栓服役的过程中，第一牙的部位所受应力最大，而由于此处分布的粗晶区韧性很差，会大大增加其开裂的风险，并在交变载荷的作用下诱发疲劳扩展，而心部存在的粗晶区也会加速疲劳扩展的速度，最终造成螺栓的断裂。