汽輪機高壓內缸螺栓斷裂分析及監督探討

程 翔, 張 潔, 金莎莎, 潘英峰

(1. 安徽新力電業科技咨詢有限責任公司,合肥 230601;2. 國網安徽省電力有限公司電力科學研究院,合肥 230601)

汽輪機的安全運行影響著機組的安全性、可靠性和經濟性,同時汽輪機高壓內缸的部件受高溫高壓蒸汽的影響較大,特別是高壓內缸螺栓。因此,為保證汽輪機的安全穩定運行,不僅需要保證高壓內缸的緊固性和密封性,而且需要保證其在高溫、高壓條件下不易發生斷裂[1]?；痣姍C組運行過程中,汽輪機高溫螺栓的斷裂事件發生得較頻繁,給金屬的監督工作和汽輪機設備的維護帶來了很多的不便[2-4]。20Cr1Mo1VNbTiB鋼作為國產高溫螺栓用鋼,具有良好的綜合力學性能,在汽輪機高壓內缸螺栓上有很好的應用,但是其也存在斷裂失效的情況[5-7]。因此,對20Cr1Mo1VNbTiB鋼制高壓內缸螺栓斷裂失效原因進行研究和分析,有利于找到有效的方法預防同類型事故的發生,從而更好地進行金屬監督和設備維護的工作。

某300 MW機組在無損檢測的過程中發現高壓內缸螺栓存在斷裂的情況,通過無損檢測、宏觀檢查、化學成分分析、微觀組織分析、硬度檢驗、力學性能檢驗等方法對部分20Cr1Mo1VNbTiB鋼制高壓內缸螺栓通的斷裂原因進行分析和研究,并且給出了相關監督檢驗的建議。

1 試驗分析

1.1 無損檢測

在汽輪機B修期間,受檢修工期的影響,對高壓內缸螺栓(中心通孔螺栓)不進行拆卸處理。此時,高壓內缸螺栓處于拉應力狀態。采用型號為XLLV A84100的內窺鏡通過螺栓中心加熱孔對螺栓內部進行宏觀檢查,檢查發現一處螺栓(編號為A13)存在斷裂的情況。

依據標準[8]采用直探頭縱波法進行超聲波檢測,即采用HS700型超聲波探傷儀(2.5 MHz/Φ14型超聲波探頭),將LS-1試塊(超聲波標準試塊)上與被檢螺栓最遠端螺紋距離相近的橫孔(1 mm直徑)最高反射波,調整至80%屏高作為基準靈敏度,并且在基準靈敏度的基礎上增益12 dB作為檢測靈敏度。檢測時,將探頭置于螺栓端面上進行掃查,掃查時注意探頭移動的間距應小于探頭半徑,同時探頭要在端面范圍內檢測。

缺陷測量方面,采用6 dB法測定缺陷指示長度。首先,通過移動探頭找到缺陷最高反射波,按下“波峰記憶”按鈕后按“自動增益“按鈕,將波高調整到80%屏高;其次,向左移動探頭,當波高降到40%屏高時,在探頭中心線部位進行標記(記為標記a);最后,向右移動探頭,當波高降到40%屏高時在探頭中心線部位進行標記(記為標記b)。標記a和標記b之間的直徑距離即為缺陷的指示長度[8]。從檢測結果上來看,在A13螺栓(規格為M152×1 135 mm)上沿第一絲牙斷裂處的缺陷反射信號最強烈(反射波最高),并且整個截面均有缺陷反射信號。因此,推測該處斷裂長度橫穿螺栓,而高壓內缸其他螺栓未發現可記錄的缺陷反射信號,判斷其他螺栓檢測合格。

1.2 宏觀檢查

對高壓內缸斷裂螺栓進行拆卸,拆開后檢查發現斷裂部位位于近螺桿側第一絲牙處,該處也是整根螺栓的應力最大處。圖1為斷裂螺栓的斷口(見圖1(a))及起裂點部位(見圖1(b))的宏觀圖片。

圖1 斷裂螺栓的斷口及起裂點的宏觀圖片

從圖1中可以看出:該螺栓沿第一絲牙呈整面斷開,斷口呈現典型的脆性斷裂特征,斷口表面呈現紅褐色,有一定程度的氧化及傷痕,表明螺栓已斷裂較長時間?；谕C時間進行分析,該高壓內缸螺栓是在運行過程中發生斷裂的,斷裂的起裂點位于螺栓一側的表面層。在交變載荷的作用下,起裂點部位形成微裂紋,微裂紋形成后進入到裂紋擴展階段,其中裂紋總是沿著最大剪切應力的滑移平面向前擴展,裂紋的擴展方向與拉應力方向垂直,裂紋擴展后,螺栓截面出現裂縫,當剩余未斷截面不足以承受載荷時,會發生斷裂[4]。同時,裂紋的萌生和擴展是在漫長的時間內進行的。

1.3 化學成分分析

斷裂的高壓內缸螺栓所用材料為20Cr1Mo1VNbTiB,用全定量光譜儀對斷裂螺栓、合格螺栓和新換備品螺栓的化學成分進行檢測分析,檢驗結果見表1,所測螺栓的化學成分均符合標準[9]中對20Cr1Mo1VNbTiB材質的要求。

表1 各螺栓的化學成分

1.4 微觀組織分析

20Cr1Mo1VNbTiB鋼為貝氏體耐熱鋼[9],在斷裂螺栓的起裂點處截取2個金相試樣(記為A1和A2試樣),分別對其進行磨制和拋光處理。先在拋光態下將其置于金相顯微鏡下觀察,之后采用三氯化鐵鹽酸水溶液進行表面腐蝕處理,并且在顯微鏡下觀察試樣的金相組織。A1和A2試樣的拋光態照片和金相組織照片分別見圖2、圖3。

圖2 A1和A2試樣拋光態下照片

圖3 A1和A2試樣的金相組織照片

從圖2可以看出:在拋光態下,螺栓的低倍組織中存在一定量的夾雜物,其中在A1試樣上發現大顆粒夾雜物缺陷,缺陷的最大尺寸達到177 μm。夾雜物等級超出了標準[9]中對于20Cr1Mo1VNbTiB材質非金屬夾雜物的規定,A2試樣上也有一定量的夾雜物缺陷。

從圖3可以看出:A1和A2試樣的金相組織均為回火索氏體組織,同時晶界上及基體中均存在析出的顆粒狀碳化物。

1.5 硬度檢驗

分別對A1試樣、A2試樣和螺栓的不同部位進行硬度試驗[10],試驗的加載力為1 837.5 N,保持時間為15 s,每個試樣進行試驗3次,結果取平均值,試驗結果見表2。從表2可以看出:所測試樣的硬度均在標準[9]中對該材質螺栓規定的硬度范圍內,但是A1試樣、A2試樣的硬度較高,接近標準規定的上限值;同時,發現沿外壁向內壁的方向,硬度呈遞減的趨勢,但是硬度相差不大。

表2 試樣的布氏硬度

1.6 力學性能檢驗

按標準[11]要求沿螺栓縱向制備3件標準拉伸試樣(均為圓形橫截面的R4/d0=10型加工試樣),進行室溫拉伸試驗,結果取平均值。同時,按標準[12]要求沿螺栓縱向制備3件標準沖擊試樣(均為V形缺口試樣,試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm),進行室溫沖擊試驗,結果取平均值。拉伸試驗和沖擊試驗的結果見表3。從表3可以看出:該螺栓的抗拉強度和斷后延伸率等參數符合標準[9]的要求。但是,螺栓在室溫下的沖擊吸收能量為34.6 J,低于標準[9]中對該材質螺栓規定的下限值(39 J)。

表3 試樣的室溫拉伸和沖擊試驗結果

2 結果及討論

該高壓內缸螺栓沿第一絲牙處斷裂,斷口形態為脆性斷裂,金相組織為回火索氏體,同時在起裂點部位存在尺寸達到177 μm的大顆粒夾雜物。晶界上及基體中顆粒狀碳化物的析出表明螺栓的材料組織出現一定程度的老化;螺栓的硬度雖然滿足標準的規定要求,但是已接近規定的上限值;螺栓的抗拉強度和斷后延伸率滿足標準要求,但是沖擊吸收能量不滿足標準的要求,這是因為螺栓組織存在一定程度的老化及碳化物的析出,從而導致材料沖擊韌性的降低。因為螺栓的應力分布是不均勻的,并且在第1～3圈螺紋處所承受的載荷最大,所以該部位發生斷裂的可能性也最高[4,13]。

從斷口形貌進行分析,該螺栓斷裂屬于拉伸疲勞斷裂;從材料組織進行分析,螺栓的材料組織包含原始的大顆粒夾雜物缺陷,同時在高溫狀態下,內部的滲碳體和碳化物脫碳分解,強化合金元素向晶界聚集碳化,形成脆性相。在交變載荷的長期作用下,起裂點部位的螺栓近表面的裂紋萌生并沿晶界擴展,最終導致螺栓發生瞬時斷裂[14]。

3 螺栓監督檢驗建議

針對該20Cr1Mo1VNbTiB鋼制高壓內缸螺栓出現失效的情況,分析得出螺栓本身包含原始的大顆粒夾雜物缺陷,屬于材質本身問題(屬于貨驗收檢測范疇)。在機組運行過程中,螺栓內部形成脆性相,同時組織存在一定程度的老化(屬于運行過程中監督檢測范疇)?；谏鲜銮闆r,依據相關標準的規定,需要對其監督檢驗工作提出相應的建議,以提高螺栓的使用壽命。

3.1 技術檔案管理方面

應重視螺栓的技術檔案管理方面的工作,可以從以下幾個方面[15]加強對20Cr1MoVNbTiB鋼制螺栓的技術檔案管理工作:

(1) 對于備品螺栓(或新購螺栓),應做好螺栓的產品質量書(包括螺栓的原始幾何尺寸、螺紋表面質量、螺栓的強度計算值、預緊力值和緊固工藝等)及相關檢測資料和記錄(包括化學成分分析、無損檢測、硬度試驗和金相檢驗等)的收集整理等相關管理工作。

(2) 對于運行中的螺栓,應做好螺栓的蠕變測量值、機組啟停次數和運行時間等相關數據的記錄和統計工作,同時應對汽輪機A修時的螺栓無損檢測、硬度檢驗和金相檢驗報告的數據進行收集與整理。值得注意的是,需要對比螺栓硬度和金相組織的變化情況,同時也需要對螺栓在緊固、拆卸、加熱、檢修、更換和解剖試驗過程中的資料進行統計。

(3) 對于已失效的螺栓,應做好其斷裂失效,以及運行工況、裝配工藝和結構因素影響的分析報告的統計與整理工作,并且制定相應的防失效措施。

3.2 螺栓投運前的監督檢驗

在螺栓投運前應做好相應的到貨驗收檢驗工作,主要涉及以下幾個方面[15]:

(1) 應根據產品標準進行幾何尺寸、表面粗糙度和表面質量等方面的檢查。

(2) 對螺栓及其對應螺母進行100%光譜檢驗、100%硬度檢驗、100%超聲波檢測、金相組織抽檢(抽檢要求為每種材料及規格的螺栓抽檢數量不應少于1件)。

(3) 應抽檢螺栓端面的晶粒級別。

3.3 螺栓投運后的監督檢驗

螺栓投運后,應進行如下監督檢驗[15-16]:

(1) 汽輪機A修時,應進行100%無損檢測、100%硬度檢驗和20%金相組織抽查,對于硬度高于標準值的螺栓進行金相檢查并將其更換為新的螺栓,也應立即更換組織晶粒度高于5級的螺栓。

(2) 對螺栓的蠕變情況進行監督,主要進行長度測量,并且計算蠕變變形量。

(3) 檢測中發現不符合標準的螺栓時,應予以復核,同時擴大其檢查比例。應及時更換不合格螺栓。

(4) 使用內窺鏡對螺栓中心孔進行宏觀檢查,檢查中心孔內壁是否存在過熱和燒傷痕跡。

3.4 螺栓的緊固與拆卸監督

采用正確的方式緊固和拆卸螺栓是一項保證螺栓壽命的不容忽視的工作,對于高壓內缸20Cr1Mo1VNbTiB鋼制螺栓,在緊固和拆卸過程中應進行如下監督工作[15]:

(1) 在螺栓的緊固與拆卸過程中,應注意防止使用過大的沖擊力(嚴禁盲力緊固與拆卸),同時應保證螺栓和螺紋表面光滑,不應出現凹痕等會引起應力集中的缺陷。

(2) 在螺栓的緊固和安裝過程中,應按照汽輪機制造廠提供的螺栓緊固說明書執行。

(3) 拆卸高壓內缸螺栓時,應等到調節級處壁溫降到80 ℃以下時再進行拆卸,避免在高溫狀態下進行拆卸。

4 結語

對某汽輪機高壓內缸20Cr1MoVNbTiB鋼制螺栓失效的原因進行分析與討論,本次螺栓本身包含原始的大顆粒夾雜物缺陷,同時運行過程中材料組織老化,組織內部存在脆性相等原因,最終導致螺栓在應力集中部位發生斷裂。螺栓斷裂不僅與材質本身的質量問題有關,而且與運行過程中出現的組織老化問題有關。分析結果為后續電廠螺栓監督檢驗工作提供了案例參考,同時對部件的到貨質量監督和運行過程中的監督檢測工作提出了更高要求。

基于螺栓失效的分析,結合相關標準從技術檔案管理、螺栓投運前、螺栓投運后、螺栓緊固與拆卸等方面總結并梳理螺栓的監督檢驗工作。通過加強對螺栓的全過程監督管理,可以更好地進行電廠金屬監督和設備的維護工作,進而有效地預防同類型事故的發生。