分享：中压内缸中分面螺栓异常断裂原因

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  江苏镇江燃气热电有限公司，镇江 212028

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  镇江解理材料检测有限公司，镇江 212141

汽轮机是火力发电机组的核心部件之一，螺栓是汽轮机的重要紧固件，用于连接汽缸、主汽门等部件，保证汽轮机在运行中不发生蒸汽泄漏，确保发电机组的安全经济运行。螺栓在高温、高压工况条件下运行，经常会发生损坏，尤其是断裂引起的破坏性最大，会造成机组停运等安全风险。一般情况下，断裂发生于螺栓长期服役后，主要断裂形式有蠕变脆性断裂和疲劳断裂两种[1-5]。X18CrMoVNbN11-1-5钢是一种Cr元素质量分数为12%的马氏体耐热钢，在580 ℃下，材料的持久强度、持久塑性和组织稳定性良好，常用于制造不高于580 ℃的汽轮机动、静叶片等部件，有的制造厂家将其用于汽轮机高温螺栓上。

某火电厂2号机组累计运行约5 100 h后停机检查，发现中压内缸中分面3个双头螺栓断裂，材料为X18CrMoVNbN11-1-5钢,规格（直径×螺距×长度）为M72 mm×6 mm×415 mm，工作压力为3.4 MPa，工作温度为565 ℃。断裂螺栓位于中压内缸北侧后部，且连续布置（见图1），3个螺栓均在光杆段中部断裂。在后续的机组检修过程中，普查发现另有5个螺栓光杆段硬度超过技术要求（270~320 HBW）。笔者采用一系列理化检验方法对断裂螺栓和未断裂但硬度超标的螺栓进行分析，查明了螺栓断裂的原因，以避免该类问题再次发生。

图  1  中压内缸螺栓断裂位置宏观形貌

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1.   理化检验

1.1   宏观观察

3个断裂螺栓的宏观形貌如图2所示。由图2可知：螺栓靠近断口的光杆表面氧化颜色呈黑色，靠近螺纹的光杆表面氧化颜色偏黄色，没有明显锈蚀，断面垂直于螺栓纵向，无明显塑性变形，呈脆性断裂形貌。

图  2  3个断裂螺栓宏观形貌

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用丙酮溶液清洗27号螺栓断口，观察其宏观形貌，结果如图3所示。由图3可知：整个断面氧化严重，整体呈黑色，部分区域被红褐色铁锈覆盖，因为螺栓断裂后断面暴露在蒸汽中，发生了高温氧化；断裂区域均无明显的塑性变形，断面有放射状条纹，断面整体可分为两个区域，断面较为平整区为裂纹源区及裂纹扩展区，断面较为粗糙区为瞬断区；在断面上可观察到两个明显的裂纹源，裂纹源均位于螺栓光杆表面；裂纹从光杆表面的两个裂纹源处起裂，两个裂纹源间有明显的撕裂棱，并沿箭头方向开始扩展，形成平整的扩展区形貌；当裂纹扩展到瞬断区后，裂纹沿着白色虚线箭头瞬间发生断裂，形成快速开裂的瞬断区，瞬断区占断口面积的大部分，说明裂纹扩展范围大，裂纹从生成到最终断裂的时间短。

图  3  27号螺栓断口宏观形貌

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1.2   无损检测

依据DL/T 694—2012《高温紧固螺栓超声波检测技术导则》对3个断裂螺栓进行超声波检测，采用小角度纵波法在螺栓两端面进行检测，并采用横波法在螺栓光杆段进行检测。依据NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》对3个断裂螺栓外表面进行磁粉检测。利用内窥镜对3个断裂螺栓中心通孔进行检测。结果显示除原开裂位置外均未发现可记录缺陷。利用相同方法对中压内缸其余双头螺栓进行无损检测，均未发现可记录缺陷。

1.3   化学成分分析

依据DL/T 991—2006《电力设备金属光谱分析技术导则》，利用直读光谱仪对27号螺栓进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：螺栓的化学成分符合技术要求。

Table  1.  27号螺栓的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	S	Si	Mn	P	Cr	Ni	Mo	V	B	Al	N	Nb
实测值	0.20	<0.005	0.36	0.64	0.017	10.33	0.41	0.56	0.22	0.001 2	<0.005	0.06	0.30
技术要求	0.17~0.23	≤0.015	≤0.50	0.30~0.80	≤0.025	10.00~11.00	0.20~0.50	0.50~0.80	0.10~0.30	≤0.002 0	≤0.015	0.05~0.08	0.25~0.55

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1.4   力学性能测试

依据GB/T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》，沿27号螺栓轴向切取一个厚度约为10 mm的薄板(螺栓盲孔段未解剖)，从距螺纹端部约5 mm的位置开始，每隔10 mm在近外表面进行一次布氏硬度测试，测试结果如图4所示。由图4可知：螺栓螺纹部分硬度均匀，其值为308~310 HBW，满足技术要求（270~320 HBW），并与质保书检测结果295 HBW接近；距螺纹端部约135 mm处的硬度开始降低，在距螺纹端部约165 mm处的硬度最低，其值为270 HBW，该处硬度虽满足技术要求，但明显低于质保书检测结果和螺栓螺纹段硬度；在靠近断口位置硬度最高，其值为485 HBW，远高于技术要求的上限（320 HBW）。

图  4  断裂螺栓轴向硬度测试结果

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依据GB/T 17394.1—2014《金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法》，使用便携式里氏硬度计对中压内缸其余双头螺栓进行硬度测试，并将测试结果换算为布氏硬度，结果发现，15号、21号、42号等7个螺栓的硬度超过技术要求，且螺栓的最大硬度及其分布区域与27号螺栓接近。

分别在27号螺栓通孔螺纹段（硬度合格区）、42号螺栓光杆段（未断裂螺栓高硬度区）取样。依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对试样进行拉伸试验。依据GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对试样进行冲击试验。依据GB/T 231.1—2018标准对试样进行布氏硬度测试。试样的力学性能测试结果如表2所示。由表2可知：27号螺栓试样的拉伸性能、布氏硬度、冲击吸收能量均符合技术要求，与质保书相比，试样的力学性能在服役前后没有明显变化；42号螺栓试样的抗拉强度、断后伸长率、冲击吸收能量均不符合技术要求。

Table  2.  27号和42号螺栓试样的力学性能测试结果

项目	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%	硬度/HBW	冲击吸收能量/J
27号螺栓实测值	845	984	17	310	24，26，26
42号螺栓实测值	1 204	1 386	5	481	18，14，18
质保书	814	949	14	-	-
技术要求	≥780	900~1 050	≥10	270~320	≥24

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1.5   金相检验

在27号螺栓上取金相试样，位置1为螺纹段中间，位置2距螺纹端部约165 mm(硬度最低处),位置3为断口附近10 mm处。将试样打磨、抛光、腐蚀，依据DL/T 884—2019《火电厂金相检验与评定技术导则》对试样进行金相检验。

位置1处微观形貌如图5所示。由图5可知：中心孔表面大部分区域未发现明显氧化层，少数区域 氧化层厚度约为1 μm；位置1整个区域内组织正常，回火态马氏体板条组织非常清晰。

图  5  位置1处微观形貌

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位置2处微观形貌如图6所示。由图6可知：中心孔表面大部分区域存在氧化层，氧化层厚度约为3 μm；靠近中心孔约9 mm范围内组织异常，未见明显的回火态马氏体板条组织，晶粒异常细小；其他区域组织正常，回火态马氏体板条清晰。

图  6  位置2处微观形貌

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位置3处微观形貌如图7所示。由图7可知：中心孔表面大部分区域存在氧化层，氧化层厚度最大约为32 μm；靠近中心孔区域组织异常，未见明显回火态马氏体板条组织，晶粒异常细小，组织为淬火态马氏体；位置3抛光态下的断口截面存在二次裂纹；靠近螺栓外圆的组织也存在异常，组织同样为晶粒异常细小的淬火态马氏体。42号螺栓高硬度区同样发现了类似的淬火态马氏体。

图  7  位置3处微观形貌

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1.6   扫描电镜（SEM）分析

利用扫描电镜观察螺栓断口，结果如图8所示。由图8可知：两个裂纹源附近均未发现磕碰或加工缺陷，说明起裂不是螺栓加工质量导致的；扩展区形貌较为平整，未发现疲劳裂纹扩展形貌，表面氧化较为严重；瞬断区未发现塑性变形，表面氧化程度较扩展区轻，呈穿晶解理断裂形貌。

图  8  螺栓断口SEM形貌

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2.   综合分析

螺栓在启动、预紧、稳定3种工况下，最大应力均集中在螺纹部分与螺母或缸体咬合的第一颗螺牙位置，启动工况下螺栓内应力最大[6]。该螺栓开裂于光杆部分，并非最大应力所在处。该火电厂为燃机电厂，启机阶段温度升高较快，导致螺栓产生了较大的热应力[7]。螺栓光杆处冲击吸收能量低、脆性大、抗冲击性能较差，故光杆处截面发生开裂。螺栓运行中除了承受轴向拉伸载荷外，由于连接的中压内缸上下缸法兰单元刚度的非正交分布，还产生了附加弯矩[8]，因此螺栓横截面最大应力为外表面某点处轴向拉应力，导致螺栓光杆表面萌生裂纹，最终导致螺栓过载并发生脆性断裂，而非疲劳断裂。

向X18CrMoVNbN11-1-5钢中加入Mo、V、Nb等元素，经1 100~1 150 ℃淬火+670~750 ℃回火后，可析出VC、NbC类间隙碳化物，产生沉淀强化效果，同时Cr、Mo元素溶入α固溶体，产生了较好的固溶强化效果，最后得到的组织为回火马氏体，其中δ-铁素体体积分数不超过5%[9]。该批次螺栓在安装前按照DL/T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》的要求进行了100%光谱分析、硬度测试、无损检测，并进行了金相检验抽查，结果均合格。由金相检验结果可知，螺栓短时运行后未发生明显蠕变等组织变化，螺栓裂口附近的显微组织和硬度异常可能发生在螺栓安装时的热紧过程中。制造厂要求在任何情况下螺栓的加热温度不得超过600 ℃，而在螺栓热紧固过程中，安装人员未严格按热紧规范操作，在对螺栓中心孔加热时未控制加热时间，未实时测量加热温度，导致部分螺栓加热温度超过技术要求。随着加热温度升高，钢表层氧化铁皮的厚度逐渐增大[10]，27号螺栓中心孔从断裂处至螺纹处，表面氧化层厚度逐渐减薄，说明加热温度不均匀，断裂处附近加热温度最高。由产品标准可知，制造时回火温度为670~750 ℃，随着加热温度升高，断裂处附近到达X18CrMoVNbN11-1-5钢加热时珠光体向奥氏体转变的温度Ac1（约802 ℃）以上，甚至加热至转变为奥氏体的终了温度（约885 ℃）以上，回火马氏体发生相变，在之后的冷却过程中生成未回火的马氏体。1 000 ℃属于较低的淬火温度，碳元素和其他合金元素溶入奥氏体的程度较低，马氏体相变阻力较大，形成的马氏体尺寸较小，因而生成了晶粒异常细小的淬火态马氏体。

螺栓断裂处附近硬度远高于技术要求，原因是淬火态马氏体硬度高于回火马氏体。试验表明，在Ac1以下温度进行回火处理时，2Cr11Mo1VNbN（等同于X18CrMoVNbN11-1-5）钢的布氏硬度随回火温度升高而降低[11]。螺栓位置2处的硬度低于技术要求，原因是该处加热温度高于螺栓制造时的回火温度。

3.   结论及建议

该批螺栓断裂的原因是：安装热紧时加热温度控制不当，螺栓过热产生淬火态马氏体，在运行中，螺栓受到轴向拉伸应力及弯曲应力，最终导致螺栓发生脆性断裂。

建议安装、检修需热紧的螺栓时，选用先进的可控温电加热设备，避免加热温度过高。有针对性地对材料进行检验，如对螺栓两端面、光杆段部位进行硬度测试，用内窥镜观察螺栓加热孔内壁，以及时发现加热失控所导致的硬度超标、灼伤坑等情况。