高压调节汽门阀盖螺栓断裂失效分析

张 杰 吴继权 邱康勇

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518029）

高压调节汽门阀盖螺栓断裂失效分析

张 杰 吴继权 邱康勇

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518029）

针对一起高压调节汽门阀盖螺栓断裂失效案例，对螺栓进行宏观检查、成分分析、硬度测试、金相组织分析及断口显微分析。结果表明：在蠕变、疲劳的共同作用下，在螺栓应力集中部位，首先在弱化的晶界上产生裂纹，然后在腐蚀作用的促进下，裂纹不断扩展，最终造成脆性断裂。

断裂 螺栓 裂纹 腐蚀

电厂使用的紧固件大多工作在高温状态下，主要承受着拉伸应力，有时也承受弯曲应力[1]。20Cr1Mo1VTiB钢是一种具有较高持久强度及抗松弛性能的材料，是我国火力发电厂汽轮机汽门常用的螺栓材料，属于我国自行研发的CrMoV系列低合金高强度钢[2-4]。但是在实际工况中，我国火力发电厂却经常有汽门螺栓断裂现象的发生。

2016年12月，中海油深圳电力有限公司的工作人员在对机组进行检修的过程中，发现两根高压调节汽门阀盖螺栓断裂。断裂螺栓标称材质为20Cr1Mo1VTiB，规格为M56mm。该类螺栓所在机组（见图1）于2005年投入使用，到发现螺栓断裂时累计运行40000h，期间有过4次拆装，机组工作期间最高运行温度为530℃，每天运行10h。考虑到两根螺栓断口形貌极其相似，因此，笔者对其中一根螺栓进行分析，找出断裂原因。

图1 高压调节汽门阀盖螺栓装载位置

1 理化检验

1.1 宏观检测

断裂的螺栓宏观形貌见图2。从图2可见，高压调节汽门阀盖螺栓断裂在螺纹处，螺栓周围有罩螺帽，并且其断口较为平整，没有明显的塑形变形，断口上存在明显的起裂源、扩展区、最后断裂区。高压调节汽门阀盖螺栓应为脆性断裂[5-6]。

图2 螺栓断口宏观形貌

1.2 成分分析

在高压调节汽门阀盖螺栓上截取光谱试样，经清洗、干燥、打磨后，采用台式直读光谱仪进行化学成分光谱分析，分析结果见表1。螺栓化学成分光谱分析结果符合DL/T 439—2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》对20Cr1MoVTiB的技术要求。

表1 调速汽门螺栓成分分析结果Wt%

1.3 硬度检测

在高压调节汽门阀盖螺栓断口附近截取横截面试样，经打磨、抛光后，进行布氏硬度试验，试验结果见表2。调速汽门螺栓布氏硬度试验结果符合DL/T 439—2006对20Cr1MoVTiB的技术要求。

表2 调速汽门螺栓硬度测试结果表（HB10/3000）

1.4 金相组织分析

在高压调节汽门阀盖螺栓断口附近截取横截面试样，经镶嵌、打磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液进行浸蚀，试样金相组织见图3。金相组织为回火索氏体和明显的黑色网状晶界。

图3 横截面金相组织1000X

1.5 断口显微分析

将断口切取下来，经无水酒精清洗干净、干燥后，置于扫描电镜下进行观察。螺栓表面可见大量的覆盖物，断口表面覆盖物形貌见图4。覆盖物纵截面形貌见图5，从图5中能够看出，覆盖物厚度约为50μm。覆盖物能谱分析结果见图6，由分析结果可推断出该覆盖物主要为金属氧化物。

将断口进行进一步清洗并干燥后，置于扫描电镜下进行观察。断口形貌见图7及图8。图7为螺栓断裂起裂源区，图中可见断口上存在空洞。图8为最后断裂区，图中同样可见空洞。

图4 断口表面覆盖物形貌

图5 覆盖物纵截面形貌

图6 覆盖物能谱分析结果

图7 起裂源形貌

图8 最后断裂区形貌

2 综合分析

根据材料的化学成分分析和硬度测试结果，表明高压调节汽门阀盖螺栓满足DL/T 439—2006对20Cr1MoVTiB的技术要求。

金相分析可知，高压调节汽门阀盖螺栓金相组织为回火索氏体和明显的黑色网状晶界。DL/T 439—2006中规定，对高温螺栓运行后检验结果符合下列条件之一者应进行更换（a.硬度超标；b.金相组织有明显的黑色网状奥氏体晶界）。从而表明此螺栓的晶界已经发生弱化[7]。

螺栓在使用过程受到的温度为530℃，该温度未超过材料的最高使用温度（570℃），但也算是高温。所受应力来自三个方面，首先，当机组平稳工作时，在530℃温度下，螺栓同时承受一定的热应力，当机组在启动到结束两个阶段时，螺栓则承受的是交变热应力；第二，结合螺栓的装载位置及螺栓一头套在罩螺帽内的特点可以看出，该螺栓承受的一定拉伸应力；第三，由于螺栓断裂位置位于螺纹处，此处本身就为应力集中点。从而表明当机组运行时，螺栓会受到蠕变及疲劳的作用[8-10]。

由断口分析结果可知，断口表面覆盖着大量的氧化物，同时在断口上发现有空洞存在，表明螺栓在断裂的过程中受到严重的高温氧化腐蚀。

综合以上分析，在蠕变、疲劳的共同作用下，在螺栓应力集中部位，首先在弱化的晶界上产生裂纹，然后在腐蚀作用的促进下，裂纹不断扩展，最终造成脆性断裂。

3 结束语

本次高温螺栓失效的主要因素与使用工况有关，而使用工况的复杂性又是无法避免的，因此监督及检验部门对螺栓的失效需承担一定责任。同样在DL/T 439—2006中也明确提到应加强对高压气缸高温段螺栓（调速汽门和主汽门螺栓）的监督和检验，但未明确对该类螺栓检验时的累积使用时间。在此，为了完善DL/T439—2006，建议明确对高压气缸高温段螺栓（调速汽门和主汽门螺栓）的受检周期。并且使用单位及监督、检验部门应严格遵守DL/T 439—2006。

[1] 黄权浩.发电机组高温螺栓脆性断裂机理分析[J].水利电力机械，2004，26（04）：9-10.

[2] 丁勇.20Cr1Mo1VTiB钢Ti的控制[J].特钢技术，2004，10（04）：14-16.

[3] 奚杰峰，马延会，陈锐.国产20Cr1Mo1VTiB主汽门螺栓的失效机理研究[J].热加工工艺，2015，44（02）：234-236.

[4] 肖克建.20Cr1Mo1VTiB钢冶炼工艺研究[J].特钢技术，2003，10（02）：9-12.

[5] 张 栋，钟道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004：88.

[6] 王荣.机械装备的失效分析[J].理化检验-物理分册，2016，52（10）：698-704.

[7] 张亚明，姜胜利，郭宏.热电厂高温螺栓断裂原因分析[J].金属热处理，2015，（40）：323-325.

[8] 徐鸿，郑善合，Maile Karl.超临界机组螺栓高温蠕变断裂的研究[J].中国电机工程学报，2007，27(29)：80-83.

[9] 蒲泽林，杨昆，刘宗德，等.汽轮机联轴器螺栓疲劳特性及寿命预测模型的研究[J].中国电机工程学报，2002，22(07)：90-94.

[10] 毛雪平，刘宗德，杨昆，等.30Cr1Mo1V 转子钢蠕变-疲劳交互作用的实验研究[J].中国电机工程学报，2004，24(02)：206-209.

Fracture Failure Analysis of Bolt for High Pressure Regulating Valve Cover

Zhang Jie Wu Jiquan Qiu Kangyong
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)

According to a case of bolt fracture for high pressure regulating valve cover, by means of macroscopic examination, OES, OM and SEM, the fracture bolt was analyzed. The results showed that under the creep,fatigue, the cracks in the weakened grain boundaries were fi rst produced at the stress concentration site of the bolt, and then under the in fl uence of corrosion, and the cracks expanded, the bolt fi nally brittle fractured.

Fracture Bolt Cracks Corrosion

X933.4

B

1673-257X（2017）10-0061-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.016

张杰（1991～)，男，硕士，工程师，从事金属材料的理化检验及失效分析工作。

张杰，E-mail： 928533546@qq.com。

2017-03-17）