某电厂高中压缸高温螺栓断裂的原因

王芬玲, 王天剑, 李清松, 刘嘉伟, 裴玉冰

(东方汽轮机有限公司, 德阳 618000)

进入21世纪后，我国经济高速发展，同时也面临着能源紧缺与环境污染等问题，提高能源利用率和能量转化效率的最有效手段就是提高装置的运行参数[1-4]。螺栓作为汽轮机汽缸、管道法兰、各种阀门等使用的关键零件，不仅在结合面上承受着防漏气所施加的初始预紧弹性应力，还承受着高温运行及机组启停过程中产生的各种静、动应力，使螺栓在运行过程中易出现蠕变损伤[5-9]。

某电厂运行1.5×105h后，在检修过程中发现，高中压缸高温螺栓发生断裂。笔者通过化学成分分析、力学性能试验、断口分析、显微组织观察和能谱分析等方法，对螺栓断裂的原因进行分析，并提出应对措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察

该电厂高中压缸由74支螺栓紧固，采用规格为φ120 mm×1 530 mm的双头螺柱，设计工作温度为537 ℃，螺栓材料为20Cr1Mo1VNbTiB钢。该双头螺栓的螺纹长度约为180 mm，螺栓的断裂位置位于螺纹长90 mm处，如图1a)所示。由图1b)可见：螺栓断口平整，断口被氧化后呈灰黑色，螺纹断面垂直于螺栓轴向；从裂纹扩展的放射状条纹特征来看，裂纹源位于外螺纹根部，裂纹从螺栓外表面向心部扩展，裂纹源部分区域因磨损而被破坏，瞬断区位于螺栓中心圆孔处。

图1 螺栓断裂位置及断口表面的宏观形貌Fig.1 Macro morphology fracture position a) and fracture surface b) of bolt

1.2 力学性能试验

断裂螺栓的化学成分满足标准要求，为全面分析断裂螺栓的力学性能，在螺栓近断口处(1号试样)以及螺柱上(2号试样)分别截取试样，进行力学]性能试验，结果如表1所示。由表1可见，螺栓不同位置处的室温拉伸性能、布氏硬度以及冲击韧性均低于标准要求，冲击韧性检测值与标准值相差较大。

表1 力学性能检查结果Tab.1 Mechanical property test results of titanium tubes at room temperature

1.3 断口分析

利用扫描电镜(SEM)观察螺栓断口的SEM形貌。由图2可见：断口中裂纹源区域呈准解理开裂和沿晶开裂的特征，可见明显的二次裂纹；螺栓裂纹扩展区可见蜂窝状形貌，在晶界上可见明显的蠕变孔洞。

图2 螺栓断口不同位置处的SEM形貌Fig.2 SEM morphology at different positions of bolt fracture:a) crack source area; b) expansion area

1.4 金相检验

在螺栓断口附近及螺栓螺柱取样，观察裂纹的微观形貌。由图3可见：在螺栓断口附近可见沿晶界扩展的二次微裂纹以及在螺栓螺柱沿晶界扩展的微裂纹。

图3 断口附近和螺栓螺柱处裂纹的微观形貌Fig.3 Micro morphology of cracks near fracture a) and bolt stud b)

1.5 能谱分析

进一步放大观察，发现组织中可见块状析出物，其截面呈规则的四边形，如图4所示。对析出物进行能谱分析，结果见表2，该析出物主要由碳、氮、铌、钛、钒、铁组成，推测该析出物为氮化物。

图4 螺栓断口表面析出物的微观形貌Fig.4 Micro morphology of precipitates on the surface of bolt fracture

表2 析出物的能谱分析结果Tab.2 Energy spectrum analysis results ofprecipitates %

2 分析与讨论

该螺栓在570 ℃以下具有较高的抗松弛性能、较高的持久强度和持久韧性，组织稳定性好。在工作温度为500 ℃时，螺栓工作1×105h的持久强度为314 MPa。螺栓在服役过程中所受的工作载荷有以下三种：(1)冷热紧固应力；(2)汽缸温度分布不均引起的热应力；(3)蒸汽进入汽缸产生的反作用力[10]。该螺栓的工作应力虽未超过螺栓的持久强度，但在汽轮机反复启停过程中，高压缸内外壁温差导致热应力的产生，这时螺栓的受力为复杂的热应力与预紧力的叠加[11]。

该螺栓在电厂服役长达1.5×105h，设计工作温度为537 ℃，在长期高温和应力作用下，螺栓已经发生蠕变，性能逐渐衰退，尤其是韧性下降明显，螺栓外螺纹根部产生应力集中，并在此处形成裂纹源。随着运行时间的延长，在晶界上形成了蠕变孔洞，孔洞逐渐长大，裂纹源沿晶界扩展，最终导致螺栓断裂。

3 结论

(1) 该螺栓断裂的主要原因是：螺栓在长期高温和复杂应力作用下，局部晶界处发生蠕变，材料性能衰退，在机组运行过程中裂纹在蠕变处萌生，并沿晶界扩展，最终导致螺栓断裂。

(2) 建议加强对高温螺栓在检修过程中的无损检验，开展螺栓的现场金相检验和硬度试验。