超超临界机组In783合金螺栓早期断裂原因及其应用建议

王庆峰

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司 华北电力试验研究院, 北京 100040)

20世纪90年代,美国Special Metals公司开发了第四代抗氧化低膨胀高温合金Inconel alloy 783(简称In783),该合金为镍铁钴基铁磁性合金。与传统低膨胀高温合金比较,In783合金的居里温度高,In783合金中加入了质量分数为3%的Cr元素,同时Al元素的质量分数升高到了5%。第4代抗氧化低膨胀高温合金In783不仅具有高温环境下的抗氧化性和抗腐蚀性,还具有足够高的强度和低膨胀系数,在700 ℃环境下仍然具有低膨胀系数和良好的机械加工性能,被用于生产压缩机、涡轮机和排气系统的安全壳和间隙控制元件,如密封环、隔热环、机匣、密封垫等[1-3]。

近年来,随着超超临界技术的发展与应用,德国西门子公司将In783合金用于600 ℃等级汽轮机的中压主汽门和中压调节门的高温紧固件等关键部件中,这是因为In783合金具有较好的抗氧化性能,以及具有和超超临界机组典型9%～12% Cr马氏体耐热钢缸体材料相匹配的膨胀系数。上海汽轮机厂也开始采用In783合金,并于2006年首次将其应用在我国首台1 000 MW超超临界机组中压主汽门和中压调节门的高温螺栓上[4]。上海汽轮机厂可自主生产In783合金,目前该厂设计制造的超超临界机组中压主汽门和中压调节门螺栓同时采用了国产In783合金(国内牌号GH6783)。随着In783合金螺栓的广泛应用,In783合金螺栓出现大量早期断裂的现象。除此之外,随着清洁低碳高效发电技术的发展,超超临界机组将朝着更高参数的方向快速发展,高温合金的使用比例将进一步增加。

1 In783合金螺栓早期断裂原因分析

1.1 早期断裂案例

In783合金螺栓为高温螺栓,在超超临界汽轮机的中压主汽门和中压调节门的使用过程中,In783螺栓出现了大量早期断裂现象。如华能玉环电厂的1,2号机组上的螺栓为原装进口In783合金螺栓,3,4号机组为国产In783合金螺栓,在检修过程中这些螺栓均出现断裂情况:2014年2月,2号机组断裂1根螺栓,运行时间近8 a;2015年5月,4号机组断裂或开裂15根螺栓,运行时间近8 a;2015年6月,1号机组断裂或开裂多根螺栓,运行时间近9 a[4]。姜涛[5]等报道了某2×660 MW超超临界机组汽轮机中压调节门In783合金螺栓服役不到7个月,20根螺栓中有13根发生断裂。谢澄[6]等报道了某超超临界机组汽轮机中压主汽门和中压调节门In783合金螺栓在检修中断裂3根,机组累计启停12次,累计运行时间3.1万h;同厂另一台同类型机组经过紧急检修后启机不久,发现其两侧主汽门和调节门共29根In783螺栓发生断裂。

据统计,浙江、江苏等地24台超超临界机组的In783合金高温螺栓中,中压主汽门共159根螺栓断裂,中压调节门177根螺栓断裂,其中安徽某电厂1台机组中压主汽门42根螺栓全部断裂。In783合金螺栓的大量早期断裂为超超临界机组的安全稳定运行带来极大的安全隐患。

1.2 早期断裂特征

In783合金螺栓发生大量早期断裂现象,这些螺栓在断口形貌、断裂机理、断裂部位及运行时间上存在一些共同的特征:① In783螺栓断口典型宏观形貌如图1所示,从断口形貌及断裂机理上看,断口无明显塑性变形,有的呈现典型脆性断裂特征,有的呈现疲劳断裂特征,有的呈现脆性开裂+撕裂特征,从微观形貌上看,断口呈沿晶脆性开裂特征;② 断裂部位主要有加热孔底部退刀槽部位、螺栓腰部光杆部位、螺牙部位等;③ 随着螺栓服役时间的延长,发生断裂的螺栓数量明显增加,运行3～4万h后发生大量断裂现象;国产及进口In783合金螺栓均呈现这种趋势,但进口螺栓断裂比例偏低,运行时间也偏长。

图1 In783螺栓断口典型宏观形貌

1.3 早期断裂原因分析

经标准热处理后的In783合金在650 ℃以下具有优异的综合性能,特别是较低的热膨胀系数和优良的抗蒸汽氧化性,但在实际服役过程中,In783合金螺栓却出现了大量早期断裂现象。国内众多发电企业和研究机构对其断裂原因进行了不同方面的分析。综合认为,In783合金螺栓的断裂与拆装工艺不规范、制造质量不良、材料服役后性能下降及负蠕变等因素有关。

1.3.1 拆装工艺不规范

姜涛[5]等对某超超临界660 MW汽轮机组的中压调节门In783合金螺栓的断裂现象进行分析。在螺栓安装过程中,加热棒局部高温导致3根螺栓孔内壁材料烧损,裂纹萌生于内孔烧损处,在正常服役条件下,裂纹扩展导致螺栓发生断裂。张守文[4]等也在断裂的In783螺栓孔内壁发现电烧蚀坑,分析认为螺栓热紧时电加热棒破损,烧损了螺栓中心孔并形成烧蚀坑,在高温、高压及振动的工况下,烧蚀坑诱发了裂纹的萌生及扩展,最终引起In783螺栓的沿晶脆性开裂。

对于In783合金螺栓,厂家规定在热紧时螺栓加热温度不允许超过600 ℃,并对电加热设备的型号进行了限定。如不严格按照厂家螺栓热紧规范进行操作,加热棒的加热温度可能超过600 ℃,并造成螺栓中心孔局部出现烧损并产生裂纹源,裂纹萌生并发生扩展,最终导致In783合金螺栓发生断裂。目前,多个发电企业针对In783合金螺栓的热紧工艺进行优化,包括加热棒的选型与检查、加热温度的限定与测量、螺栓孔冷却后的清理与检查等方面,从而避免热紧过程中发生螺栓孔烧蚀现象[7-8]。发电企业应严格执行厂家的螺栓拆装工艺规定,借鉴优秀发电企业的拆装工艺成功经验,从而避免In783合金螺栓因拆装工艺不规范而出现早期断裂。

1.3.2 制造质量不良

杨超等[9]对某电厂1 000 MW超超临界火力发电机组汽轮机中调节门In783合金螺栓断裂原因进行分析,发现螺栓断裂起源于中心孔壁,断口以沿晶脆性断裂形貌为主,断裂性质为应力加速晶界氧化(SAGBO)脆性断裂。SAGBO脆性断裂的产生是由于氧原子在应力的作用下更易沿晶界扩散,偏聚在晶界处的氧原子使晶界发生氧化,从而降低了晶界强度,最后导致晶界脆化;当局部晶界强度低于外加应力时,便会产生沿晶开裂现象,最后导致In783合金螺栓发生沿晶氧化开裂。在标准热处理过程中,In783合金经(843±8) ℃时效后,晶界处析出呈网状分布的二次β相,从而使In783合金的SAGBO抗力显著提高。在断裂的In783合金螺栓显微组织中,发现晶界处网状二次β相不连续且含量偏低,说明断裂螺栓的β时效处理不规范,是导致In783合金螺栓发生SAGBO的主要原因。彭以超等[10]认为断裂螺栓In783合金固溶处理后的β时效处理不充分,导致合金中一次β相出现明显偏析,呈条带分布,且晶界处呈网状分布的二次β相含量总体偏少。断裂In783合金螺栓的疲劳裂纹基本沿晶扩展,主要是由于应力促进晶界氧化导致疲劳裂纹沿着氧化损伤区扩展,裂纹扩展速率由晶界氧化速率控制,与时间具有一定的相关性,断裂的In783螺栓抗应力促进晶界氧化能力差的主要原因为晶界处缺乏呈网状分布的二次β相。

In783合金的标准热处理工艺为:① (1 121±10) ℃/1 h/空冷(固溶处理);② (843±8) ℃/2～4 h/空冷(β时效);③ (718±8) ℃/8 h/炉冷55 ℃/h至(621±8) ℃/8 h/空冷(γ′时效)。高温(1 121±10) ℃固溶处理,其目的是消除成分偏析,并溶解部分第二相,强化固溶体,并为后续时效做准备。经过(843±8) ℃时效后,二次β相在晶界处呈网状分布,从而使In783合金的SAGBO抗力显著提高。颗粒状的一次β相和晶界处析出的网状二次β相起到了明显抑制晶粒长大和强化晶界的作用。合金经(843±8) ℃时效处理后,二次β相在晶界处呈网状分布,同时在晶内析出了较为粗大的γ′相。再经过(718±8) ℃和(621±8) ℃两段时效处理后,在上一级时效处理中,析出的部分粗大γ′相回溶,使粗大的γ′相含量降低,同时在合金基体中析出更为细小的γ′相。γ′相晶体结构为Cu3Au型面心立方有序结构,Al原子位于角上,Ni原子位于面心;γ′相通常在基体中弥散均匀形核、共格析出,并且两者点阵常数相近,因此错配度较小,具有界面能低而稳定性高的特点;同时,γ′相本身具有很高的强度,并且在一定温度范围内,强度与温度成正比,同时还具有一定的塑性,这些特点使得更为细小均匀弥散分布的γ′相对In783合金的强度起到了决定性作用[11]。贾新云等[12]研究了β时效对In783合金组织及性能的影响规律。研究结果表明,In783合金经过β时效处理后,晶界上分布着链状的二次β相,基体中分布着两种尺寸的γ′相;未经β时效处理的组织中只存在初生β相和一种尺寸的γ′相;从力学性能上看,经过β时效处理In783合金的高温拉伸强度、塑性和持久塑性明显优于未经β时效处理的In783合金。由此可见,β时效处理对In783合金组织的性能及In783螺栓的服役性能有着重要的影响。厂家应严格执行三级时效热处理工艺,保证In783合金优良的力学性能和SAGBO抗力,从而避免In783合金螺栓发生SAGBO脆性断裂。

1.3.3 材料服役后性能下降

陶思友[13]采用未服役、服役1.3万h和服役3.9万h的In783合金螺栓,系统地研究了服役时间对In783合金螺栓组织及性能的影响规律。研究结果表明:In783合金螺栓在服役过程中,一次β相数量减少,二次β相数量增加,尺寸增大,连接形成“带状组织”,影响组织的连续性和均匀性。同时,二次β相内部析出了Ni5Al3相,破坏了二次β相原有的奥氏体结构。这一变化导致二次β相带来的SAGBO减弱,晶界腐蚀更易发生;另一方面,二次β相自身强度下降,显微硬度分别降低了23 HV和33 HV,对In783合金螺栓晶界的强化效果减弱,导致合金高温性能下降,延伸率分别降低了46.9%和49.3%。除此之外,合金的另外一个主要强化相γ′相在服役过程中持续粗化,从未服役时的53 nm到服役1.3万h的60 nm,再到服役3.9万h的74 nm,导致合金在600 ℃下屈服强度上升,分别提高了3.8%和9.1%。从性能变化规律上看,在服役过程中,随着服役时间的延长,In783合金螺栓的屈服强度呈上升趋势,分别提高了3.8%和9.1%;抗拉强度略有降低,延伸率呈下降趋势。研究结果进一步指出,In783合金螺栓在长期的高温环境下服役相当于在应力状态下经过了高温时效,导致γ′相持续粗化,位错越过析出相所需的剪切力增大,宏观表现为材料的屈服强度上升。但由于材料的延伸率下降,在高温拉伸过程中,材料快速进入断裂阶段,从而宏观上表现为材料的抗拉强度没有随着屈服强度的增大而增大,反而略有降低。高温拉伸断口形貌分析也表明,随着服役时间的延长,In783合金螺栓在拉伸过程中进入裂纹快速扩展阶段的时间越来越短,塑性变形阶段越来越短,与力学性能结果相符。国内众多对In783合金螺栓开裂的原因分析均表明[14-15],In783合金螺栓在600 ℃服役过程中因高温及应力状态下的显微组织发生变化,引起了螺栓力学性能的劣化,特别是塑性和韧性降低,增加了In783合金螺栓脆性开裂的风险。

在火电机组服役的过程中,螺栓部件由于受到较高的温度、复杂的应力和环境介质的综合影响,长周期服役后会产生组织老化、性能劣化等变化,也是造成螺栓部件失效的重要原因之一。从以上案例可以看出,In783合金螺栓在服役状态下的显微组织发生变化,引起了材料性能劣化,特别是塑性和韧性降低。塑性和韧性降低意味着螺栓的承载能力下降,缺口敏感性增加,一旦萌生微裂纹,就可能导致螺栓的脆性断裂。因此,发电企业应对服役时间较长的螺栓进行检验,对存在组织老化、性能劣化或者存在缺陷的螺栓进行更换处理。建议研究机构针对In783合金螺栓服役状态下组织性能的变化规律进一步研究,建立组织变化与性能劣化的关系,科学评价服役后In783合金螺栓脆性开裂的风险,并制定In783螺栓的更换与报废准则,从而防止运行状态下In783合金螺栓发生断裂。

1.3.4 负蠕变

在高温并受拉伸应力的作用下,金属材料会随时间而逐渐伸长,称为高温蠕变。如果与此相反,在一定条件下,材料在高温和应力作用下随时间而逐渐缩短,称为负蠕变[16]。金属材料的变形与外加载荷的方向相反,这与热力学第一定律相矛盾。关于这一现象产生的原因,目前普遍认可的解释是材料体系内部能量的减少大于外部应力产生的作用。许多学者对高温合金中出现的负蠕变现象进行了研究,包括高温合金负蠕变产生的机制,建立负蠕变模型等。通常认为材料的负蠕变与初始应力大小、时间、化学成分、材料的热处理等复杂的相互作用有关[17]。负蠕变的解释模型主要有两种[17]:一种是将负蠕变归因于基体组织的有序化转变,是否出现负蠕变取决于有序化转变引起的体积收缩与预载荷造成的变形量;另一种解释认为,由于材料组织的不稳定,例如基体中析出第二相,使比容减小而引起收缩。按照这两种模型,很多金属都可能出现负蠕变现象,但蠕变抗力低的金属在松弛曲线上不出现或者呈现很小的负蠕变,蠕变抗力越高的金属负蠕变现象越强。

Special Metals公司SARWAN等对In783合金在593 ℃和704 ℃下的热稳定性进行了研究。研究过程中发现标准热处理态的In783合金在593 ℃下的等温时效过程中出现了明显收缩现象。并且在3次独立试验过程中均出现了类似现象。In783合金在593 ℃等温时效200 h后出现了明显收缩,当时效时间达到600 h后,收缩率达到了一个稳定值0.02%,这可能与负蠕变现象相关。研究表明,对于一些高温合金,负蠕变通常在高温和低应力条件下出现。许多镍基高温合金都存在负蠕变现象,如R26、Alloy617、Nimonic80A[18]、Nimonic90等。彭以超等[18]研究了负蠕变行为对Nimonic80A合金螺栓频繁断裂的影响规律,研究结果表明Nimonic80A合金螺栓在长期低于525 ℃的服役过程中,合金内部发生Ni2Cr有序转变,从而产生负蠕变,导致螺栓应力增大,最终在螺纹应力集中最大的局部区域产生过载开裂,是Nimonic80A合金螺栓频繁发生断裂的关键原因。

SARWAN等的试验结果表明,In783合金在593 ℃下等温时效200 h后出现了明显收缩,即出现了负蠕变现象。In783合金螺栓在超超临界机组上服役温度为600 ℃,接近593 ℃。因此,In783合金螺栓在超超临界机组中压主汽门和调节门的应用过程中出现负蠕变是具有一定可能性的。服役温度下的负蠕变现象将使In783合金螺栓的工作应力增加,特别是服役初期工作应力增大,给服役状态下的In783合金螺栓增加了不利因素。在谢澄[6]等关于In783螺栓的断裂案例中,启动机器后不久便发现中压主汽门阀盖有蒸汽冒出,两侧主汽门和调节门共发现29根螺栓断裂,这可能与In783螺栓的负蠕变现象直接相关。因此,在计算螺栓预紧力的过程中,应高度重视并重点考虑负蠕变带来的不利影响。

2 综合分析

综合分析认为,超超临界机组In783合金螺栓大量早期断裂的原因与拆装工艺不规范、螺栓制造质量不良、材料服役后性能下降及负蠕变等诸多因素相关。在众多因素中,拆装工艺不规范和螺栓制造质量不良可能会导致部分发电机组In783合金螺栓早期断裂,而In783合金螺栓在整个超超临界机组中出现大量早期断裂可能与In783材料服役后性能下降及负蠕变的影响因素更为密切。程光坤等基于In783合金螺栓的冶炼技术、热处理和安装工艺的严格要求,认为国内工艺质量和安装质量很难满足要求,提出In783合金螺栓不适合作为中压汽门螺栓材料使用的论点,并提出采用1Cr11Co3W3NiMoVNbNB材料替代In783合金材料应用于超超临界机组中压汽门螺栓的方案,并将该方案成功应用于多台发电机组。针对断裂螺栓的栽丝端螺纹受力的1～3个螺牙之间发生脆性断裂的现象,结合理论计算和试验验证,判断In783合金螺栓断裂是安装紧力过大所致。并坚持认为In783合金螺栓在中压汽门上的应用是安全可靠的,在拆装过程中,须严格按照厂家的操作规范和工具工装执行。

关于In783合金螺栓大量早期断裂的原因仍需进一步研究,特别是针对In783合金材料服役后性能下降及负蠕变影响因素的研究,以推进In783合金及其他高温合金在高参数超超临界机组上的进一步应用。

3 总结与建议

In783合金中铝元素含量较高、铬无素含量较低,使该合金同时具备了较强的抗氧化性能和较小的热膨胀系数,最终使该合金在600～800 ℃具有良好的综合性能。然而,在实际服役过程中,In783合金螺栓出现了大量早期断裂现象。综合分析认为,In783合金螺栓的断裂与拆装工艺不规范、制造质量不良、材料服役后性能下降和负蠕变等诸多因素相关。基于讨论结果,针对In783合金螺栓的进一步应用提出以下建议。

(1) 螺栓拆装工艺严格按照制造厂的操作规范和工具工装执行,避免螺栓中心孔烧蚀和安装紧力过大。

(2) 严格按照标准热处理工艺对螺栓进行热处理,保证β时效效果,提高SAGBO抗力。

(3) 对服役时间较长的螺栓进行检验,对于存在组织老化、性能劣化或者存在缺陷的螺栓进行更换处理。

(4) 在计算螺栓预紧力的过程中,应高度重视并重点考虑负蠕变带来的不利影响。

超超临界火电机组正向着更高参数的方向发展,高温合金应用于高参数超超临界火电机组成为一种必然趋势。为了进一步推进高温合金在高参数超超临界机组上的应用,针对高温合金在服役过程中组织性能的变化规律和负蠕变的研究仍需进一步加强。