刘云涛 https://disease.39.net/bjzkbdfyy/170613/5452897.html金属材料第三方检测检测迅速，价格优惠，CMACNAS认可实验室打开百度APP立即扫码下载立即预约摘要:某火力发电厂汽轮机用２０Cr１Mo１VTiB钢制高温紧固螺栓在安装时发生断裂.通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、断口分析、力学性能测试等方法对螺栓断裂的原因进行了分析.结果表明:高温紧固螺栓材料的冶炼工艺中由于化学元素含量控制不当,导致碳含量严重超标,造成螺栓的冲击吸收能量及塑性下降,最终促使螺栓发生断裂.关键词:２０Cr１Mo１VTiB钢;高温紧固螺栓;断裂;化学成分;力学性能中图分类号:TG１４２．７３文献标志码:B文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８０４Ｇ０４高温紧固螺栓作为火力发电机组的重要连接部件,一旦发生断裂将导致发电机组的运行故障,特别是用于汽轮机的高温紧固螺栓的断裂将会造成设备损坏甚至人身伤亡事故,关系到整个机组的安全运行.高温紧固螺栓作为火力发电厂汽轮机的重要零部件之一,在保证高中压外缸密封面的密封性上发挥着重要的作用[１Ｇ３].目前高温紧固螺栓的材料主要为低合金钢、１２％铬铁素体不锈钢、高温合金钢等,随着越来越多的超临界机组投入运行,在高温、高压、高应力及蒸汽氧化腐蚀的工况条件下,机组对高温紧固螺栓的要求更加苛刻,通常要求其具有良好的强度和塑形以及较小的蠕变缺口敏感性.２０Cr１Mo１VTiB钢作为一种新型的贝氏体高温热强钢,具有良好的持久强度、优异的抗松弛性能、出色的持久塑性、较小的热脆性倾向和较低的缺口敏感性,可以满足超临界机组对高温高压的要求[４Ｇ７].但是目前国内外火电机组的安全事故数据表明,服役的２０Cr１Mo１VTiB钢制高温紧固螺栓经常在安装和拆卸时发生断裂,造成安全事故甚至人员伤亡.某火力发电厂汽轮机使用的锅炉侧和汽轮机侧的２０Cr１Mo１VTiB钢制高温紧固螺栓(以下简称为炉侧螺栓和机侧螺栓)在安装时发生断裂,规格均为M３３mm×２７３mm.为查明２０Cr１Mo１VTiB钢制高温紧固螺栓发生断裂的原因,以便采取措施避免类似失效再次发生,笔者对断裂的螺栓进行了检验和分析,并提出了可行的预防措施.１理化检验１．１宏观检验采用放大镜对断裂的炉侧螺栓和机侧螺栓的进行宏观检验.由图１可见,两根螺栓的断面形貌相似,断面整体较平整,断裂均发生在牙底处,距光杆约两个螺纹,断口与法兰结合面平齐.两根螺栓的断裂机理相同,均呈现疲劳断裂的特征[８].断面存在裂纹源区、扩展区和瞬断区,在裂纹源区呈现出凹凸面,存在明显缺口.１．２化学成分分析采用SpectroＧTEST型固定式全定量光谱仪对断裂的炉侧螺栓和机侧螺栓的化学成分进行分析,结果如表１所示.可见断裂螺栓中除了碳元素含量超过GB/T２０４１０－２００６?涡轮机高温螺栓用钢?对２０Cr１Mo１VTiB钢制螺栓的成分要求范围,其他元素含量均符合该标准要求.１．３金相检验在炉侧螺栓和机侧螺栓的腰部取金相试样,试样经１２０号砂纸粗磨,再依次使用２８０,４００,６００,８００号SiC砂纸打磨后,采用MPＧ１型金相试样磨抛机进行抛光.抛光后的试样用无水乙醇超声清洗.采用AxioObserver型研究级倒置式金相显微镜分别观察机侧螺栓和炉侧螺栓抛光态试样的显微组织形貌,如图２a)和图２b)所示.根据GB/T１０５６１－２００５?钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级?,机侧和炉侧螺栓中夹杂物含量等级分别在粗２．５级和细２．５级以上,不符合GB/T２０４１０－２００６关于夹杂物含量不超过２．０级的规定.采用体积分数为４％的硝酸酒精溶液对炉侧螺栓和机侧螺栓的抛光态试样进行浸蚀后,采用AxioObserver型研究级倒置式金相显微镜分别观察机侧螺栓和炉侧螺栓浸蚀态试样的显微组织形貌,由图２c)和图２d)可见,两根螺栓的显微组织均为回火贝氏体,炉侧螺栓组织中有相对较多的大颗粒夹杂物分布,机侧螺栓组织中大颗粒夹杂物聚集分布,两根螺栓的晶粒度均为３级,小于DL/T４３９－２０１８?火力发电厂高温紧固件技术导则?中规定２０Cr１Mo１VTiB钢制螺栓的晶粒度大于５级的要求.１．４断口分析由于机侧螺栓和炉侧螺栓的断裂机理相同,选取炉侧螺栓采用JSMＧ６４９０型扫描电镜对其断口进行形貌观察.由图３可见,裂纹源区较平整,没有明显韧窝,呈现出疲劳断裂的特征;扩展区存在明显的河流花样和疲劳弧线,有较多的撕裂纹出现,呈现出解理断裂的形貌;瞬断区呈现出韧窝形貌.１．５力学性能测试根据GB/T２３１．１－２０１８?金属材料布氏硬度试验第１部分:试验方法?,采用HBEＧ３０００A型布氏硬度计对机侧螺栓和炉侧螺栓表面进行硬度测试,载荷为１．８３kN(１８７．５kgf),加载时间为１５s,硬质合金球直径为２．５mm.测得机侧螺栓和炉侧螺栓的硬度分别为２８９HBW和２８６HBW,DL/T４３９－２０１８标准中对２０Cr１Mo１VTiB钢制高温紧固螺栓硬度的要求为２５５~２９３HBW,机侧螺栓和炉侧螺栓的布氏硬度接近标准规定范围的上限.根据GB/T２２９－２００７?金属材料夏比摆锤冲击试验方法?,沿机侧螺栓和炉侧螺栓圆心处纵向采用线切割的方式制备标准冲击试样,采用JBＧ３００C型冲击试验机测试试样的冲击性能,载荷为３００N.由测试结果可知机侧螺栓和炉侧螺栓的冲击吸收能量平均值分别为１８J和１４J,DL/T４３９－２０１８标准中对２０Cr１Mo１VTiB钢制高温紧固螺栓冲击吸收能量的要求为不小于３９J,机侧螺栓和炉侧螺栓的冲击吸收能量低于标准值的要求.２分析与讨论由化学成分分析结果可知,断裂的机侧螺栓和炉侧螺栓中碳含量均超标.碳含量高的钢材易发生断裂.通常增加碳含量会提高钢材的抗拉强度,但是随之就会析出铁碳化物[９Ｇ１０].碳含量越高,材料抗应力腐蚀开裂性能会降低,并与碳化物的体积分数成正比,钢材内部析出碳化物后,电化学腐蚀环境以及外力反复作用使材料发生断裂.由金相检验结果可知,机侧螺栓和炉侧螺栓夹杂物含量等级均超过了GB/T２０４１０－２００６标准关于夹杂物含量不超过２．０级的规定.机侧螺栓和炉侧螺栓组织为回火贝氏体,其中有相对较多的碳化物颗粒分布,晶粒度为３级,均小于DL/T４３９－２０１８中规定２０Cr１Mo１VTiB钢制螺栓的晶粒度大于５级的要求.夹杂物含量超标说明在材料的冶炼工艺中化学元素含量控制不当,造成夹杂物过大而割裂基体.结合上述化学成分分析结果可知,夹杂物为碳化物[１１].在高温服役的环境中需要较大的晶粒度,以降低高温蠕变的倾向(高温蠕变是材料在高温下服役时,尤其是在恒温、恒载荷作用下缓慢产生的变形,这种变形最终将导致材料断裂).从断口形貌分析来看,由于疲劳断裂对表面缺陷非常敏感,因此疲劳源往往都在金属的表面,断裂螺栓的裂纹源区有明显受力造成的缺口,在反复受力的情况下出现了疲劳源,进而向瞬断区扩展形成断裂.疲劳裂纹扩展区是疲劳裂纹的亚临界扩展区,是疲劳断口上最重要的特征区域,该区域形态多种多样,可以是光滑的或者瓷状,可以有疲劳弧线,呈现晶粒状或者撕裂纹状,具体形态取决于断裂试样所承受的应力状态及运行状态(包括最大外加应力强度KImax、最小外加应力强度KImin、临界外加应力强度KIC、频率、环境、温度等),当KImax＞KIC＞KImin时,就会产生撕裂纹[１２Ｇ１４],由图２c)可见断裂的螺栓存在撕裂纹现象,属于此种情形.机侧螺栓和炉侧螺栓的布氏硬度接近标准规定范围的上限,说明其脆性较大,有较大的断裂倾向性.一般螺栓硬度高于正常范围过大就会引起螺栓的脆性断裂,低于正常范围则导致螺栓的强度降低,也容易发生断裂.而机侧螺栓和炉侧螺栓最初是在反复应力作用下,沿着螺纹前端发生的断裂.机侧螺栓和炉侧螺栓的冲击性能低于DL/T４３９－２０１８规定的标准值.断裂螺栓的冲击吸收能量偏低与碳含量高相对应,冲击吸收能量随着碳含量的增大而降低[１５],材料塑性随之下降.结合金相检验可知,该螺栓组织析出部分碳化物、晶粒增大,加上材料塑性下降,这是导致螺栓发生断裂的根本原因.３结论及建议在高温紧固螺栓材料的冶炼工艺中,由于化学元素含量控制不当,导致碳含量严重超标,造成螺栓的冲击吸收能量和塑性下降,最终促使螺栓发生断裂.在高温紧固螺栓材料的冶炼工艺上应严格控制各元素的含量,尤其是碳含量,防止由于元素含量偏离正常值而导致螺栓力学性能降低.参考文献:[１]邱康勇,张杰,吴继权．主汽门阀盖螺栓断裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１８,５４(４):３０４Ｇ３０７．[２]吴红辉,王韦．２０Cr１Mo１VNbTiB高温螺栓断裂失效分析[J]．华电技术,２０１８,４０(１０):２７Ｇ２９．[３]李丹．１０００MW机组汽轮机高温螺栓缺陷研究[J]．热加工工艺,２０１９,４８(３):２５７Ｇ２６２．[４]杨春,钟振前,司红,等．汽车缸盖螺栓断裂原因分析[J]．金属热处理,２０１６,４１(１１):１７５Ｇ１７８．[５]袁峰,靳宝宏,门菲．发动机连杆螺栓断裂原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(１１):８３３Ｇ８３６．[６]王东．高压导汽管螺栓断裂失效分析[J]．热加工工艺,２０１７,４６(１５):２５２Ｇ２５３．[７]刘俊伟,陈淑贞．高压容器用螺栓断裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１２,４８(１２):８３４Ｇ８３６．[８]张道钢,李金峰,王玉兴,等．２０Cr１Mo１VNbTiB高温螺栓运行后性能变化及监督方法的探讨[J]．河北电力技术,１９９２,１１(５):４３Ｇ４８．[９]于长山,刘炳日．碳含量和组织形态对碳素钢抗冲击磨粒磨损性能的影响[J]．金属热处理,１９９６,２１(１０):１０Ｇ１１．[１０]罗晔．碳含量对超高强汽车用钢腐蚀及氢扩散行为的影响[J]．世界金属导报,２０１９,１０(１):５Ｇ８．[１１]亓婧,李因田,刘小辉,等．高温合金螺栓蠕变失效分析[J]．安全、健康和环境,２０１５,１５(５):４７Ｇ４９．[１２]王增友．２０Cr１Mo１VNbTiB,２５Cr２Mo１VA钢热处理工艺总结[J]．金属加工(热加工),２０１４(z２):１４９Ｇ１５１．[１３]孙澎．２０Cr１Mo１VTiB螺栓断裂原因分析[J]．热加工工艺,２０１６,４５(４):２５２Ｇ２５４．[１４]段辉建．２０Cr１Mo１VTiB螺栓断裂原因分析[J]．华北电力技术,２００２(１２):２７Ｇ２８．[１５]杜晓东,丁厚福,吴凯,等．碳含量对腐蚀条件下低碳高合金钢冲击磨损性能的影响[J]．摩擦学学报,２００６,２６(６):５３５Ｇ５４０．文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册55卷11期(pp:-)
转载请注明地址:http://www.1xbbk.net/jwbrc/9514.html
