汽輪機高溫螺栓斷裂失效的測試與分析

劉齊峰

（國家能源集團華北電力有限公司廊坊熱電廠，河北 廊坊 065000）

長期處在高溫下運行后，螺栓會逐漸老化，并且存在很多故障模式。根據螺栓的破壞機理，可分為螺紋卡死，應力腐蝕，材料熱脆老化，接觸面泄漏，蠕變，疲勞以及中心孔燒傷等。螺栓失效的判據有以下5個:根據螺栓運行時間計算的壽命損耗達到100%；發現有裂紋的螺栓；殘余伸長率為100%；外觀嚴重損壞且無法修理的螺栓；以及中心孔局部燃燒發生熔化的螺栓。鑒于蠕變斷裂可以說是高溫螺栓在火電廠中最普遍的一種螺栓失效情況，在對高溫螺栓進行監督檢查時，檢查的關鍵可以集中到蠕變損傷情況。以下介紹螺栓現場的檢查方法，并結合具體案例進行分析。

1 現場螺栓檢查方法

現場螺栓檢查方法主要包括以下幾種:宏觀檢查，無損檢查（超聲波、磁粉、染色、中心孔的內窺鏡觀察）[1-2]，金相檢驗[34]，硬度測量和螺栓蠕變伸長率測量。根據螺栓失效標準和高溫螺栓常見的蠕變破壞機理，螺栓現場檢查方法的有效性分析如下。

（1）宏觀檢查。目視檢查或放大鏡檢查，應集中精力檢查第1根螺紋的根部是否有裂紋。該方法簡單易行，技術含量低，檢出率高。

（2）無損檢查（超聲波探傷或著色檢查）。該檢查需要具有相應的檢查資格，技術含量較高，宏觀裂紋缺陷檢出率也較高。

（3）金相檢驗?，F場金相檢驗主要用于檢查25Cr2 Mo V，25Cr2 Mo1 V 螺栓材料結構是否粗大或是否存在黑色網狀奧氏體晶界。例如，如果存在明顯的黑網狀奧氏體晶界，則應更換25Cr2 Mo V 鋼螺栓。因為現場金相只能檢查拋光的桿部或螺栓端部，而不能檢查螺紋根部，所以金相組織只能用作評估材料性能的參考指標，通常對于評估高溫螺栓的蠕變損傷是無效的。

（4）硬度測量。硬度可以間接反映材料的強度和韌性。較低的硬度表示較低的強度，較高的硬度表示其韌性可能較差。因此，DL/T 439—2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》要求火力發電廠在高溫下要密閉，并且規定了對各種材質螺栓的硬度的上下限[5]。例如，若25Cr2 Mo V 鋼螺栓的硬度超過HB300，則應將其更換。但是硬度和蠕變損傷之間沒有直接對應關系，螺栓硬度值只能用于間接評估其材料性能，而不能用于評估螺栓蠕變損傷的程度。

（5）螺栓蠕變伸長率測量。DL/T 439—2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》規定，在使用新螺栓之前，應先測量螺栓長度（并指定具體的測量方法），并進行隨后的大修，應測量1/3螺栓的蠕變變形。高溫螺栓的蠕變伸長率測量對于判斷蠕變損傷非常有效。

下面以實際案例具體分析高溫螺栓的斷裂失效原因。

2 案例基本情況

某電廠2號機組已累計運行約65 000 h。在檢修過程中，發現高壓主蒸汽閥螺栓、中壓主蒸汽閥螺栓、高壓調速閥螺栓、中壓調速閥螺栓、過熱器安全閥螺栓和高壓蒸汽管氣缸法蘭螺栓斷裂[6-8]。檢驗中發現的螺栓數量、材質、規格和斷裂的螺栓數量如表1所示。選取4個具有代表性的螺栓，開展相應的測試和分析，這4個螺栓的名稱，規格和材質如表2所示[911]。

表1 高溫螺栓斷裂的統計數據

表2 測試螺栓信息

3 測試與分析

3.1 斷裂形態分析

所有斷裂的螺栓在第1圈螺紋的根部斷裂，斷裂表面被氧化成黑色，截面比較粗糙，可見裂紋，但沒有明顯的疲勞膨脹。裂紋最初產生于第1圈螺紋的根部，隨后從外到內，從一側到另一側擴展。對于帶有中心孔的螺栓，最終的斷裂區域在螺栓中心孔處；對于無中心孔的螺栓，在裂縫源的相反側。對于部分開裂的螺栓，螺栓沿裂縫斷裂后，斷裂明顯分為兩部分。舊斷裂的形態與完全斷裂的螺栓相同，斷裂表面被氧化成黑色，截面粗糙，裂紋方向可見，但沒有明顯的疲勞膨脹。螺栓的斷裂形態均具有蠕變斷裂特性。

3.2 金相分析

對斷裂的螺栓進行金相檢驗，圖1是1號高壓主蒸汽閥門螺栓的基體結構，圖2是3號螺栓中壓調速器的基體結構。從圖1、圖2可以看出，1號螺栓的基體金相組織為回火貝氏體，而3號螺栓的金相組織為回火索氏體，沒有明顯的黑網狀奧氏體晶界，金相組織屬于正常狀態。將垂直于裂紋源截面的螺栓表面制樣進行金相檢驗。從圖3-6可以清楚的看到，在1號和2號2個高壓主蒸汽閥門螺栓的斷裂附近，有明顯的鏈狀蠕變孔沿著晶界分布；而在3號和4號2個螺栓的斷裂附近，有明顯的蠕變微裂紋沿著晶界分布。于是，從金相檢驗結果就可以得出，所選取的4個代表性螺栓的斷裂機理為蠕變斷裂。

圖1 1號螺栓基本結構（500×）

圖2 3號螺栓基本結構

圖3 1號螺栓蠕變孔

圖4 2號螺栓蠕變孔

圖5 3號螺栓蠕變孔

圖6 4號螺栓蠕變孔

3.3 化學成分分析

表3列出了4 個螺栓的化學成分測試結果。2個高壓主蒸汽閥門螺栓（1 號，2 號）的材質為20Cr1 Mo1 VTi B，與設計材質一致。中壓調速閥螺栓（3號）的設計材質為20Cr1 Mo1 V1，經測試為25Cr2 Mo V，與設計材質不符。高壓蒸汽管法蘭螺栓（4號）的材質為25Cr2 Mo V，與設計材質一致。

表3 螺栓化學成分的測試結果

3.4 硬度檢查

對上述4個斷裂的螺栓進行布氏硬度測試，測試結果列于表4。4個螺栓中，1號，2號，3號螺栓的硬度指標未達到標準規定的最低限值，并且沒有超過標準最高限值的高硬度螺栓。

表4 螺栓硬度測試結果

3.5 室溫沖擊試驗

表5示出了室溫下的螺栓沖擊試驗的結果。在這4個螺栓中，3個（1號，2號，4號）的沖擊值低于標準的下限。根據實際材料（25Cr2 Mo V），只有3號（中壓調速閥螺栓）螺栓合格。

表5 室溫下螺栓沖擊試驗的結果

3.6 室溫拉伸試驗

對4個螺栓進行了拉伸試驗，測試結果列于表6。樣品1號和2號的性能合格，2個樣品3號和4號的強度指標合格，但可塑性指數接近或略低于下限。

表6 室溫下螺栓的拉伸測試結果

4 螺栓斷裂的原因分析

4個螺栓的斷裂機理是蠕變斷裂。1 號和2號2個螺栓的材料為20Cr1 Mo1 VTi B，2個螺栓3號和4號的材料為25Cr2 Mo V，螺栓3 號的材料比原始設計材料（20Cr1 Mo1 V1）低一級。

螺栓的工作溫度約為540 ℃，即在蠕變環境中使用，螺栓的第1螺紋根部應力集中較大。在高溫下長期運行后，該零件將形成蠕變孔或蠕變微裂紋。這些蠕變孔或蠕變微裂紋將從螺栓的中心逐漸向外發展，最終導致斷裂。

蠕變斷裂像機械疲勞斷裂一樣，也是由裂紋形成、逐步發展和最終斷裂3個階段組成，但斷裂形態不同于機械疲勞斷裂。蠕變斷裂通常被氧化成黑色，并且裂紋可見，但是沒有疲勞膨脹。最終斷裂面積小，斷裂的塑性變形不明顯。宏觀上，它很容易被誤認為是一次性脆斷[12- 13]。

高溫螺栓第1螺紋根部的蠕變斷裂是最常見的損壞形式，2號機組僅累計運行65 000 h。高壓主蒸汽閥門螺栓和中壓調速閥螺栓發生大量破裂和故障。應從螺栓裝配過程和螺栓材料性能中查找原因。

蠕變失效的另一個重要因素，是由于安裝期間過度預緊，進一步惡化了螺栓的損壞程度[1415]。由于連接的螺栓具有傳力均勻，剛性高的特點，當外力小于同一法蘭上螺栓的擰緊力時，它們承受的應力是不一樣的，從而導致螺栓在同一法蘭上以高緊力蠕變并過早失效。

在相同的載荷條件下，螺栓的蠕變壽命主要取決于材質的強度及韌性，從而帶來了不同的抗蠕變斷裂性能。這次測試中，高壓主蒸汽閥門螺栓1號和2號的硬度和沖擊韌性，以及4號螺栓的拉伸試驗的塑性指數，均未達到標準規定的最低限值，3號螺栓的材料比原始設計材料低一級，由于強度不足提前斷裂。同時，通過對高壓主蒸汽閥門螺栓進行現場硬度測試，結果表明，盡管螺栓硬度合格，但依然較低。所有的32個螺栓的硬度范圍處于248～261 HB，其中有20個螺栓的硬度接近標準規定的最低限值，約占總數的62.5%。之中有2個原因造成了螺栓的硬度和韌性普遍較低，一方面是長期的高溫運行環境降低了螺栓的硬度和韌性，另一方面這些螺栓本身的材料強度和韌性偏低，也是導致螺栓過早損壞的重要因素。

5 結論和建議

（1）4個螺栓的斷裂機理為蠕變斷裂。

（2）預先發生螺栓的蠕變斷裂可能與單個螺栓的過度預緊應力以及螺栓材質本身的性能低（抗蠕變斷裂性）有關。3號螺栓材料比原始設計低一級，這可能是其過早失效的主要原因。

（3）高溫螺栓的監督檢查方法應以外觀檢查、無損檢查（超聲波檢查或顏色檢查）和蠕變伸長率測量為基礎，并輔以金相和硬度檢驗。

（4）目前，蠕變伸長率的測量方法很少用于電廠螺栓的監督檢查中，蠕變伸長率對于確定高溫螺栓的蠕變損傷非常有效。電站今后應加強此項檢查工作。新螺栓在投入運行之前應建立螺栓長度檔案，使用中的螺栓應與大修、小修相結合，以逐步建立完善的螺栓長度檔案，這對于將來對螺栓的蠕變監測是必不可少的。

（5）DL/T 439—2018《火電廠高溫緊固件技術指南》規定了需要對螺栓部件蠕變伸長率進行測量。由于螺紋根部比螺桿部分更容易發生斷裂，并且嚴重的蠕變損傷和測量螺栓的全長比測量螺紋部分更容易，因此建議測量包括兩端螺紋部分的螺栓全長。