火力发电厂高温螺栓断裂原因分析及监督方法探讨

火力发电厂高温螺栓断裂原因分析及监督方法探讨
赵海  张艳红   东北电力科学研究院有限公司
摘  要 ：本文通过对某火力发电厂高温螺栓进行失效分析，确定其断裂机理以蠕变断裂为主。同时提出电站应加强高温螺栓的蠕变变形测量。
关键词：高温螺栓  蠕变  断裂
1前言
高温螺栓是长期在高温、应力状态下工作的火电厂金属部件，它的安全对机组的稳定运行极其重要。某电厂#1机组1998年投入运行，至2008年8月大修时累计运行约7万小时。2008年8月大修期间发现高压主汽门螺栓、中压主汽门螺栓、高压调速汽门螺栓、中压调速汽门螺栓、过热器安全门螺栓、高压导汽管法兰螺栓不同程度地存在断裂情况。各种螺栓数量、材质、规格、检验发现断或裂螺栓数量统计结果见表1。
对有代表性的4根螺栓进行试验分析。4根螺栓分别编号为#1～#4。#1是完全断开的高压主汽门螺栓，#2是部分开裂的高压主汽门螺栓，#3是完全断开的中压调速汽门螺栓，#4是部分断开的高压导汽管法兰螺栓。4个螺栓名称、设计材质、规格见表2。
表1：现场检验螺栓断或裂统计表
序号        名称        材质        规格        数量        断裂        裂纹        断裂合计
1        高压主汽门螺栓        20Cr1Mo1VTiB        M56        32        3        5        8
2        中压主汽门螺栓        20Cr1Mo1V1        M56        32                2        2
3        高压调速汽门螺栓        20Cr1Mo1VTiB        M56        48                5        5
4        中压调速汽门螺栓        20Cr1Mo1V1        M42        32        2        5        7
5        高压导汽管汽缸外缸法兰螺栓        25Cr2MoV        M48        32                1        1
6        过热器安全门螺栓        20Cr1Mo1VTiB        M36        48                2        2
表2：4根试验螺栓编号
编号        名称        设计材质        规格        损坏形式
1        高压主汽门螺栓        20Cr1Mo1VTiB        M56        完全断开
2        高压主汽门螺栓        20Cr1Mo1VTiB        M56        部分开裂
3        中压调速汽门螺栓        20Cr1Mo1V1（实测为25Cr2MoV）        M42        完全断开
4        高压导汽管法兰螺栓        25Cr2MoV        M42        部分开裂
2 检验结果
2.1 断口形貌分析
所有螺栓的断（或裂）位置均在第一道螺纹根部（见图1、图2）。完全断开的螺栓断口形貌见图3、图4，断口表面氧化成黑色，断面粗糙，可见裂纹走向条纹，无明显的疲劳扩展贝纹。裂纹由第一道螺纹根部产生，由外向内、由一侧向另一侧发展，最终剪切断裂区在螺栓中心孔处（有中心孔螺栓、图3）或在裂纹源的对侧（无中心孔螺栓、图5）。部分开裂的螺栓，沿裂纹将螺栓打断后，断口明显分为新旧两个部分（见图4、图6），旧断口形貌与完全断开的螺栓断口形貌一样，断口表面氧化成黑色，断面粗糙，可见裂纹走向，无明显的疲劳扩展贝纹。
      
图1  #1-高压主汽门螺栓断裂部位     图2 #4-高压导汽管汽缸外缸法兰螺栓裂纹部位
      
图3 #1-高压主汽门螺栓断口              图4 #2-高压主汽门螺栓断口
      
图5 #3-中压调速汽门螺栓断口      图6 #4-高压导汽管汽缸外缸法兰螺栓断口
2.2 金相组织检查
对断裂螺栓进行金相检验，#1、#2螺栓基体金相组织均为回火贝氏体。图7为#1高压主汽门螺栓基体组织。#3、#4螺栓基体金相组织均为回火索氏体，未见明显的黑色网状奥氏体晶界，金相组织正常。图8为#3中压调速门螺栓基体组织。
在裂纹源处垂直于断面的螺栓表面制样进行金相检验。#1、#2两根高压主汽门螺栓断口附近均可见明显的沿晶界分布呈链状的蠕变孔洞，见图9、图10。#3、#4两根螺栓断口附近均可见明显的沿晶界分布的蠕变微裂纹，见图11、图12。
金相检验结果表明，上述4根螺栓断裂机理均属于蠕变断裂。
      
图7 #1- 高压主汽门螺栓基体组织           图8  #3-中压调速门螺栓基体组织
      
图9 #1- 高压主汽门螺栓蠕变孔洞          图10  #2-高压主汽门螺栓蠕变孔洞
      
图11 #3-中压调速汽门螺栓           图12 #4-高压导汽管汽缸外缸法兰螺栓
2.3 螺栓化学成分分析
表3为4根螺栓的化学成分检验结果， 2根高压主汽门螺栓（#1、#2）材质为20Cr1Mo1VTiB，与设计材质一致。中压调速汽门螺栓（#3）设计材质为20Cr1Mo1V1，经检验材质为25Cr2MoV ，与设计材质不符。高压导汽管法兰螺栓（#4）材质为25Cr2MoV，与设计材质一致。
表3 螺栓化学成分检验结果
样品编号        化学元素        C        Si        Mn        P        S        Cr        Mo        V        Ti        B
#1        ％        0.20        0.53        0.54        0.010        0.003        1.08        0.81        0.56        0.20        小于0.0003
#2                0.18        0.42        0.57        0.017        0.006        1.02        0.80        0.49        0.18        小于0.0003
#3                0.23        0.23        0.54        0.015        0.012        1.56        0.26        0.19               
#4                0.27        0.23        0.60        0.018        0.009        1.63        0.28        0.19               
2.4 硬度检验
对断裂螺栓进行布氏硬度检验，检验结果见表4，根据DL/T439-2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》，螺栓硬度普遍偏低，4根螺栓中有3根硬度低于标准下限（与螺栓实际材质比较）。
表4 螺栓硬度检验结果
试样编号        材质        HBW        标准值
#1        1        20Cr1Mo1VTiB        244        255～293
        2                249       
        3                248       
#2        1        20Cr1Mo1VTiB        248       
        2                260       
        3                252       
#3        1        设计20Cr1Mo1V1
（实际25Cr2MoV）        229        248～293
        2                224       
        3                234       
#4        1        25Cr2MoV        265       
        2                265       
        3                262       
2.5 常温冲击试验
表5为螺栓常温冲击试验结果，根据DL439-2006T火力发电厂高温紧固件技术导则,4根螺栓中有3根（#1、#2高压主汽门螺栓及#4高压导汽管法兰螺栓）冲击值低于标准下限。只有#3螺栓（中压调速汽门螺栓）按实际材质（25Cr2MoV）评定冲击值合格。
表5 螺栓常温冲击试验结果
试样编号        材质        AK（J）        标准值
#1        20Cr1Mo1VTiB        34        39
                43       
                23       
#2        20Cr1Mo1VTiB        52       
                34       
                37       
#3        设计20Cr1Mo1V1
实际 25Cr2MoV        50        47
                60       
                51       
#4        25Cr2MoV        58       
                20       
                24       
2.6 常温拉伸试验
对4根螺栓取样进行了拉伸试验，试验结果见表6， #1、#2机械性能合格， #3、#4强度指标合格，但塑性指标接近或略低于标准下限。
表6 螺栓常温拉伸试验结果
试样编号        Rm（N/ mm2）        Rp0.2（N/ mm2）        A（％）        Z（％）
#1        845        750        16.5        60.5
#2        830        740        16.0        62.0
标准值        785        686        14        50
#3        875        790        15.5        58.0
#4        855        740        14.5        46.5
标准值        930        785        14        55

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