20Cr1Mo1VNbTiB材质螺栓性能可靠性分析及建议

张方明，彭以超，楼玉民，黄友桥

（1.浙江浙能电力工程技术有限公司，浙江 宁波315103；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州311121；3.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华321100）

0 引 言

汽轮机是火力发电机组的核心部件之一，其正常运行决定着机组的安全性、可靠性及经济性。汽轮机螺栓作为汽轮机的紧固件，在保证汽缸中分面连接可靠性上发挥着至关重要的作用。为适应高温、高应力及蒸汽氧化腐蚀的工作环境，低合金耐热钢、12%Cr铁素体不锈钢、镍基合金等是制造汽轮机高温螺栓主要材料[1]。20Cr1Mo1VNbTiB是我国自行研制的高温螺栓用钢，作为一种贝氏体高温热强钢，具有较高的持久强度和抗松弛性能，且持久塑性好，热脆倾向小，缺口敏感性低，主要应用于制造工作温度不超过570℃的高温螺栓。近年国内火电机组事故统计表明，汽轮机螺栓失效断裂导致电厂机组非计划停运的事故时有发生，造成较大经济损失[2，3]。本文针对某电厂汽轮机用20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的断裂失效原因进行总结，全面分析其断裂原因及机理，并提出相应预防措施。

2018年10月8日，A电厂4号机C修期间，解体高压调阀发现B侧高压调阀阀盖螺栓断裂，数量1枚，现场照片如图1所示。螺栓规格：3”（GH）387；材质：20Cr1Mo1VNbTiB（即“争气1号”）。介质温度569℃，压力22.5MPa，历次检修情况：（1）2012年9月，B修，高压调阀阀盖螺栓因冲击韧性试验不合格，更换全部阀盖螺栓共计44枚；（2）2015年4月，A修，解体A、B、C、D高调阀，螺栓检查未见异常。

图1 某电厂4号机高压调阀阀盖螺栓断裂

2016年6月20日，B电厂2号机B修后进行甩负荷试验后发现2号高压调门阀盖处有漏汽现象。介质温度538℃，压力16.7 MPa，螺栓材质为20Cr1Mo1VNbTiB，规格为M33 mm×3 mm×250 mm。解体后发现2号高压调门阀盖处有5颗螺栓发生断裂（总共10颗，见图2），断裂位置位于螺栓种入阀体的螺纹根部，断裂的5颗螺栓位置均靠外侧，紧固时易发生过紧情况。2号高调门螺栓在2009年4月2号机组B修中更换为20Cr1Mo1VNbTiB，2012年检修时进行过单侧检测合格。

图2 B电厂2号机高调门20Cr1Mo1VNbTiB螺栓断裂

1 失效分析

以A电厂4号机高压调阀阀盖螺栓断裂为例进行失效分析。

1.1 化学成分分析

使用直读光谱仪对断裂高调阀螺栓进行半定量能谱分析，结果如表1所示。可见螺栓成分基本满足DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》关于20Cr1Mo1VNbTiB的要求。

表1 试样能谱分析结果(质量百分数/%)

1.2 断口分析

1.2.1 宏观断口分析

图3为A电厂4号机高调门螺栓断口宏观形貌，可以看出，断口存在明显的点状裂纹源，裂纹源位于螺纹牙根部位置，并分别沿着两侧扩展直至发生断裂。断口“人”字纹理明显，说明断口裂纹发展较为迅速。

1.2.2 显微断口分析

对图3中裂纹源附近断口进行扫描电镜显微形貌分析，结果如图4所示。可以看出，显微断口并不平滑，呈现凹凸起伏状状，也说明断面扩展时间较短。断口表面覆盖了一层较厚的氧化膜，因此断口在高温下已经保持了较长时间，非此次停机拆解过程中造成。

图3 A电厂4号机高调门螺栓断口宏观形貌

图4 裂纹源附近断口显微形貌

1.3 金相组织分析

1.3.1 低倍金相组织

鉴于20Cr1Mo1VNbTiB贝氏体耐热钢对热处理比较敏感，容易出现肉眼可见晶粒。因此本次试验对整个螺栓的横截面进行打磨、抛光和侵蚀，观察螺栓的低倍组织（见图5）。可以看出，整个横截面无肉眼可见的宏观粗晶（平均直径＞0.5 mm），整体晶粒度分布较为均匀。

图5 A电厂4号机高调门螺栓横截面低倍组织

1.3.2 金相显微组织

对断裂螺栓横截面外侧、中部和内侧（中心孔边缘）分别进行金相组织分析，结果如图6所示。可见从外侧到内侧，高倍金相组织下晶粒度也正常均匀分布，无明显可见粗晶出现。金相组织为粒状贝氏体。

图6 高调门螺栓金相组织

1.4 力学分析

1.4.1 硬度分析

对A电厂4号机高调门螺栓横截面不同区域（外侧、中心、内侧）进行布氏硬度分析，硬度平均值均在280 HBW以上，如表2所示。根据DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》规定20Cr1Mo1VNbTiB（争气1号）硬度值为252～302 HBW，所测数据满足标准要求。

表2 A电厂4号机高调门螺栓横截面不同区域布氏硬度值

1.4.2 拉伸及冲击性能分析

对A电厂4号机3颗高调门螺栓（一根断裂螺栓+两颗完好螺栓）分别进行常温力学拉伸试验和常温冲击试验，结果如表3所示。DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》规定20Cr1Mo1VNbTiB（争气1号）屈服强度≥735 MPa，抗拉强度≥834 MPa，断后伸长率≥12%，吸收冲击功KU2≥39 J。

因此，从表3可知，一根断裂螺栓+一颗完好螺栓的吸收冲击功不满足标准要求，尤其是断裂螺栓，吸收冲击功平均值仅有10 J，远低于标准要求的≥39 J，推测这是导致螺栓发生断裂的主要原因。三根螺栓的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等皆满足标准要求。

表3 A电厂4号机高调门螺栓常温拉伸及常温冲击实验数据

2 结 论

（1）螺栓整体低倍晶粒度均匀，无肉眼可见明显粗晶；金相组织从外到内均为粒状贝氏体，无明显异常；断裂螺栓和作为对比的两颗完好螺栓的常规拉伸性能和硬度也符合标准要求。

（2）螺栓断口存在明显的点状裂纹源，位于螺纹牙根部应力集中位置；断口扩展过程“人”字纹理明显，表明裂纹扩展较为迅速。

（3）造成20Cr1Mo1VNbTiB材质高调门螺栓断裂的主要原因是该螺栓吸收冲击功仅有10 J，远低于标准要求的≥39 J，在受到冲击载荷易在应力最大点萌发裂纹，并发生瞬时断裂。

3 讨论与建议

3.1 讨 论

20Cr1Mo1VNbTiB是我国自行研发的火力发电厂汽轮机常用螺栓材质，具有良好高温性能的低合金高强度钢。该材质通过添加Cr、Mo、V等合金元素用来弥散强化和固溶强化，同时添加了细化晶粒和强化晶界用的Nb、Ti、B等元素，大大减缓了高温下原子在晶界上的扩散过程，阻止碳化物在晶界的聚集长大，因而抑制了晶界微观裂纹的萌生和扩展，从而使持久强度、蠕变极限、抗松弛性能、持久塑性、缺口敏感性、组织稳定性等都得以大幅度提高[4]。该材质主要用于制造工作温度在570℃以下的螺栓，这种螺栓供货态一般为调质处理，调质热处理工艺为：淬火（1020～1040℃）+高温回火（720～740℃），回火时间不小于6 h，调质后的金相组织为回火贝氏体（F）+可能的少量珠光体（P）[5-6]。

然而，正是由于该材料使用较多种合金元素进行多元素复合强化，导致其具有极严重的组织遗传性。当热加工过程曾发生过热（1100℃～1200℃）以上，或钢材多次加热至（1000℃～1050℃）以上后快速冷却，或粗晶原料慢速加热至任何奥氏体化温度，淬火或回火时的温度和时间没按要求处理，均会造成最终成品的粗晶现象。所谓粗晶（或套晶）（如图7所示），就是在低倍试验中所出现的肉眼可见的、在不同角度光线下呈现不同色泽的光亮度的多边形颗粒斑块，也就是程度不同的混晶，晶粒粗大将导致强韧性能降低，降低螺栓的长期高温服役寿命[7]。

图7 严重粗晶

20Cr1Mo1VNbTiB钢对调质处理工艺要求较高，需要进行严格控制。当工作断面尺寸较大时，芯部吸收冲击能量往往有较大的波动，以至影响力学性能。为防止产生粗晶，应尽量采用较低的锻造加热温度、严格控制终锻温度，并保证有足够的锻造比。当钢材硬度大于260 HB时，晶粒越粗大，吸收冲击能量越低；在相同晶粒级别下，硬度越高，吸收冲击能量越低。

同时，安装螺栓时的预紧力过大和机械疲劳也会加剧高温螺栓的失效，尤其当冲击韧性较低时，会加剧原始裂纹的形成[8]。而一旦微裂纹萌生后，由于韧性的降低导致裂纹的扩展速度加快，最后直接形成了脆性断裂[9]。

因此，避免使用带有粗晶（或套晶）和低吸收冲击功的螺栓是防止断裂事故发生的关键。

3.2 建 议

3.2.1 在役螺栓检验与监督

（1）每次检修时，加强对不同部位在役20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的无损探伤（如UT、PT）及其外观检查，对发现表面损伤的螺栓建议予以更换（表面损伤极易成为裂纹起源造成快速失效）。

（2）严格执行DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》中针对20Cr1Mo1VNbTiB螺栓检验的相关增加条款。机组每次A级检修，应对20Cr1Mo1VNbTiB（争气1号）、20Cr1Mo1VTiB（争气2号）钢制螺栓进行100%的硬度检査、20%的金相组织抽査；同时对硬度高于DL/T 439中规定上限的螺栓也应进行金相检査，一旦发现晶粒度粗于5级，应予以更换。

3.2.2 新螺栓检验与监督

（1）建议电厂在对新更换的高温螺栓进行订货或签订技术协议之前，对螺栓的检验方法及比例等提出具体要求并将其列到技术协议里面，避免入库前一次检验合格率低问题的发生；同时，也减少了由于检验结果不合格产生的与制造厂之间的互相扯皮现象。严格审查厂家提供的产品质量检验单（包括化学成分、低倍和高倍组织、力学性能）。

（2）对20Cr1Mo1VNbTiB新螺栓加强入厂检验，螺纹表面应光滑，不应有凹坑、裂纹、锈蚀、毛刺和其他会引起应力集中的缺陷；必须进行光谱检验、硬度检验和超声检测，并在端面逐根进行晶粒级别评定检验[10]。

（3）随机挑选2～3颗螺栓送至检验机构进行解剖分析，主要检验晶粒尺寸和吸收冲击功性能是否满足标准要求。

3.2.3 螺栓材质升级改造

20Cr1Mo1VNbTiB自从在国内投入服役至今，一直存在粗晶、混晶、冲击韧性严重下降的问题，造成大量20Cr1Mo1VNbTiB汽轮机螺栓失效断裂，甚至导致电厂机组非计划停运，造成较大经济损失。鉴于此，可以考虑对使用该材质的螺栓进行升级改造，替换成匹配性好、不易断裂的材质进行替换。

汽轮机螺栓用钢除了应具有良好的室温综合机械性能外，还必须具备高的热强性、高温下抗应力松弛能力、持久强度及时效稳定性等等。由于不同材料的强韧性能、抗松弛性能、抗氧化性、膨胀系数等均不同，需要考虑替代材料与本体是否匹配。另外，替换材料要求具有良好的抗氧化性、低的缺口敏感性和热脆性。汽轮机在运行过程中要求部件紧密结合，螺栓材料的高热膨胀系数会降低密封性，因此，低膨胀性能比较重要。

为了验证替换材质能否满足实际的使用要求，需要以强度理论为基础，进行工况参数获取、选材、确定预紧力、设计紧固件排布及尺寸、紧固件受力分析、各种工况下强度校核（考虑松弛影响）。如有必要，可对汽轮机（或阀体、法兰）和螺栓进行整体有限元建模进行应力分析计算。

螺栓材料替换升级应符合DL/T 438-2016和DL/T 439-2018中相关条款的要求：

（1）DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》5.7条则规定，材料代用原则按下述条款执行：

1）选用代用材料时，应选化学成分、设计性能和工艺性能相当或略优者，应保证在使用条件下各项性能指标均不低于设计要求。若代用材料工艺性能不同于设计材料，应经工艺评定验证后方可使用。

2）机组检修中部件更换使用代用材料时，应征得金属技术监督专责工程师的同意，并经技术主管批准。

3）合金材料代用前和组装后，应对代用材料进行光谱复査，确认无误后，方可投入运行。

4）采用代用材料后，应做好记录，同时应修改相应图纸并在图纸上注明。

（2）DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》3.6条则规定，同一法兰的紧固件应采用相同的钢号、强度等级和结构形式。当在同一法兰上安装不同材料、强度等级和结构的紧固件时，应考虑由不同线膨胀系数和抗松弛性能引起的影响。