圖 1斷裂螺栓宏觀形貌
在火力發(fā)電廠中，螺栓廣泛應(yīng)用于電站設(shè)備的汽缸、主汽門、調(diào)速汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭等需要緊固件連接或密封的部件上。對螺栓給以足夠大的預(yù)緊力，可以使被連接部件在運(yùn)行使用期間緊密結(jié)合，保持密封，不發(fā)生泄漏[1]。
為提高火力發(fā)電廠機(jī)組設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，延長設(shè)備的使用壽命，發(fā)電廠按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對電站設(shè)備定期進(jìn)行金屬技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)工作，依照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439—2018 《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)行緊固件中螺栓的監(jiān)督檢驗(yàn)。而DL/T 439—2018標(biāo)準(zhǔn)適用于工作溫度為400 ℃以上的汽缸、汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭的螺栓、螺母和墊圈的檢驗(yàn)和處理，對于工作溫度為400 ℃及以下的緊固件可參照執(zhí)行。行業(yè)內(nèi)對用于工作溫度400 ℃以上的汽缸、汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭的螺栓統(tǒng)稱為高溫螺栓[2-3]；汽輪機(jī)低壓缸結(jié)合面螺栓的使用溫度較低，有的甚至不超過100 ℃，屬于工作溫度低于400 ℃使用的螺栓，也稱低溫螺栓，因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制監(jiān)督檢驗(yàn)要求，服役后幾乎不會對汽輪機(jī)低壓缸結(jié)合面螺栓進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)工作，一般出現(xiàn)斷裂或者裝卸過程發(fā)生損壞才會對其進(jìn)行更換處理。一旦汽輪機(jī)低壓缸結(jié)合面螺栓發(fā)生斷裂，會導(dǎo)致設(shè)備漏氣，影響機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性[4]，因此對運(yùn)行時間較長的低溫螺栓的質(zhì)量檢驗(yàn)也不能忽視。
某電廠330 MW超臨界機(jī)組在停機(jī)檢修時，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)缸結(jié)合面雙頭螺栓4顆已斷裂，且斷裂螺栓位于缸體一側(cè)，斷口形貌一致，該機(jī)組自投入運(yùn)行期間未更換過該部位螺栓，累積運(yùn)行時間約為6萬h。該斷裂螺栓的材料為25Cr2MoVA鋼，規(guī)格（公稱直徑×長度）為52 mm×350 mm，熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理，性能等級為8.8級，表面經(jīng)精加工處理，工作溫度低于400 ℃。25Cr2MoVA鋼高溫螺栓在使用時易發(fā)生沖擊韌度和塑性下降的問題，從而導(dǎo)致材料發(fā)生熱脆性斷裂。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對螺栓斷裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
對斷裂螺栓進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：螺栓螺紋表面基本光滑，外表面有服役過程中產(chǎn)生的氧化皮和紅褐色銹跡。
螺栓斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：螺栓斷裂于第一扣螺紋處,其斷口表面粗糙、銹蝕嚴(yán)重，與螺栓軸向垂直，斷口基本平齊, 無明顯塑性變形，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征；斷口表面存在明顯的放射狀條紋，在放射條紋匯集的放射源區(qū)銹蝕明顯，放射擴(kuò)展區(qū)面積約占斷口2/3；瞬斷區(qū)在放射源區(qū)對側(cè)，在斷口邊緣可觀察到撕裂痕跡，根據(jù)放射條紋的走向和銹蝕顏色的深淺，可以判斷螺栓的斷裂起始于接近螺紋根部的位置, 即放射源區(qū)。
圖 2螺栓斷口宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439—2018的要求。
Table 1.斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果
1.3 金相檢驗(yàn)
分別在斷裂螺栓斷口附近、螺紋處縱剖面取金相試樣，在靠近斷口的螺桿處縱向和橫向取金相試樣。將試樣拋光后置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：螺桿縱截面、斷裂源區(qū)附近及整個縱截面均發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物，夾雜物顆粒呈黑色，帶角呈圓形、無規(guī)則分布，心部的夾雜物比螺紋處多；在斷裂源區(qū)附近發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》，判斷該非金屬夾雜物等級為A2.5、D2.5級。
圖 3螺栓斷口附近、斷口處、螺桿處的微觀形貌
對斷裂螺栓螺紋進(jìn)行縱向解剖、拋光后發(fā)現(xiàn)，每個螺紋齒頂?shù)闹行牟课痪陀谥車饘伲拾甲中?，且凹痕底端均存在裂紋，裂紋呈樹枝狀向螺栓心部擴(kuò)展（見圖4）。
圖 4螺栓縱剖面螺紋齒頂裂紋的微觀形貌
螺栓斷口縱剖面的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可知：斷口試樣的組織為回火索氏體，組織正常；斷口附近螺紋頂部以及螺紋根部邊緣晶粒被拉長變形，均有金屬變形流線，螺紋齒頂裂紋沿流變方向擴(kuò)展，裂紋前端的方向與組織的變形方向一致，螺紋頂部的組織與心部不同，螺紋頂部組織可見白亮的不完全脫碳區(qū)域，螺紋未脫碳層的高度大于1/2實(shí)際外螺紋的牙型高度，符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》對性能等級為8.8級螺栓的要求。
圖 5螺栓斷口縱剖面的顯微組織形貌
螺紋心部顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：螺紋心部組織為回火索氏體，可見黑色非金屬夾雜物，未見明顯黑色網(wǎng)狀奧氏體晶界，組織未見異常。
圖 6螺紋心部顯微組織形貌
1.4 力學(xué)性能測試
對斷裂螺栓進(jìn)行顯微硬度測試，試驗(yàn)力為0.2 kgf（1 kgf=9.8 N），測點(diǎn)位置如圖7所示，測試結(jié)果分別為228，270，268，265，262，268 HV0.2。螺紋頂端的硬度明顯低于螺栓心部，螺栓螺紋齒頂?shù)慕M織均與心部不同，齒頂存在脫碳現(xiàn)象，心部組織為回火索氏體，脫碳層硬度低于心部正常組織區(qū)，顯微硬度變化與金相檢驗(yàn)結(jié)果吻合。
圖 7螺栓顯微硬度測點(diǎn)位置
在螺栓斷口附近的螺桿處橫截面切取試樣，用臺式布氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行布氏硬度測試，選用直徑為10 mm的合金壓頭, 測得螺栓的硬度平均值為244 HBW，略低于標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439—2018的要求（248~293 HBW）。
在螺栓上取直徑為5 mm的圓形截面試樣，按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；在螺栓上取樣，試樣尺寸(長度×寬度×高度）為10 mm×10 mm×55 mm，缺口為夏比U型，缺口深度為2 mm，按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。螺栓試樣的拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：螺栓的沖擊吸收能量和斷面收縮率均低于標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439—2018的要求，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長率均符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 439—2018的要求，螺栓的強(qiáng)度符合要求，但塑性較差。
Table 2.螺栓試樣的拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果
1.5 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
將斷口試樣進(jìn)行清洗，采用SEM觀察斷口的微觀形貌，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：螺栓斷口表面銹蝕嚴(yán)重，斷口表面被氧化產(chǎn)物覆蓋，無法清楚觀察到斷裂源區(qū)的微觀形貌特征，斷口表面可見摩擦痕跡及非金屬夾雜物。對夾雜物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示夾雜物主要為硫化物夾雜（見圖9）。
圖 8螺栓斷口SEM形貌
圖 9夾雜物能譜分析結(jié)果
螺紋齒頂裂紋處SEM形貌及能譜分析結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：裂紋中間存在一些灰黑色和白色的區(qū)域；裂紋外表面發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素S；裂紋內(nèi)部均為鐵的氧化物，無腐蝕性元素；裂紋周圍基體均為螺栓基體的主要成分。
圖 10螺紋齒頂裂紋處SEM形貌及能譜分析結(jié)果
2. 綜合分析
螺栓斷裂位置為螺紋與螺桿的交界處,其斷口表面粗糙、銹蝕嚴(yán)重,斷口平齊,無明顯塑性變形，呈典型的脆性斷裂特征。斷口表面存在明顯放射狀條紋，放射源區(qū)的銹蝕明顯，根據(jù)放射條紋的走向和銹蝕顏色的深淺可以判斷，螺栓的斷裂起始于接近螺紋根部位置,即第一扣螺紋處。該斷裂螺栓在應(yīng)力松弛條件下工作，隨著時間的延長，螺栓受到的拉應(yīng)力逐漸變小。為保證使用過程中法蘭結(jié)合面的壓力足夠大，以避免漏氣，必須對螺栓施加足夠的預(yù)緊力[5-7]。在服役過程中，螺栓自身的應(yīng)力分布不均勻，其受到的預(yù)緊力是由螺栓通過螺紋逐漸傳遞給螺母的，而螺紋相當(dāng)于缺口作用，若螺紋質(zhì)量不好，會導(dǎo)致螺紋尖缺口處產(chǎn)生應(yīng)力集中。大部分螺栓斷裂位置位于螺栓固定端工作頸與螺紋交界處或第一扣到第三扣螺紋之間，且集中在螺紋第一扣上的應(yīng)力相當(dāng)于承受全部載荷的50%左右[8-9]。螺栓斷裂在第一扣螺紋靠近根部處，符合一般規(guī)律性。
斷裂螺栓的化學(xué)成分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除材料使用不當(dāng)?shù)脑颉嗔崖菟ǖ臎_擊吸收能量、斷面收縮率及布氏硬度均低于標(biāo)準(zhǔn)下限，表明螺栓的韌性較差。螺紋根部附近存在橫向微裂紋，裂紋向基體延伸擴(kuò)展；螺紋頂部存在裂紋，裂紋呈樹枝狀向螺栓心部擴(kuò)展，且頂部組織存在一定深度的不完全脫碳層，導(dǎo)致螺紋處的強(qiáng)度和硬度下降明顯。斷裂螺栓螺紋處組織中的晶粒被拉長變形嚴(yán)重，存在殘余應(yīng)力，宏觀表現(xiàn)為螺紋處和心部的維氏硬度相差較大，導(dǎo)致螺栓根部應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。
螺栓斷口處存在較多的硫化物夾雜，非金屬夾雜物的存在會破壞金屬基體內(nèi)部的連續(xù)性，導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)了微裂紋的萌生、擴(kuò)展。螺紋頂部裂紋表面存在腐蝕性元素S，進(jìn)一步促進(jìn)了微裂紋的擴(kuò)展。
斷裂螺栓累計(jì)運(yùn)行約6萬h，期間未更換過。在服役過程中，通過螺栓與螺母正確配合，以達(dá)到緊固效果，而螺栓外螺紋與螺母內(nèi)螺紋的配合也是至關(guān)重要的，配合不當(dāng)將會導(dǎo)致螺紋頂部承受較大的拉應(yīng)力。因此不排除因螺栓配合問題引起螺紋裂紋的可能性。
3. 結(jié)論及建議
斷裂螺栓螺紋頂部發(fā)現(xiàn)裂紋及存在一定深度脫碳層,降低了螺紋的強(qiáng)度；組織中存在較多非金屬夾雜物，破壞了基體的連續(xù)性，并導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)力集中；螺栓的塑性較差，導(dǎo)致螺紋應(yīng)力集中的螺栓根部萌生了微裂紋，螺栓在腐蝕性環(huán)境下服役，裂紋在高應(yīng)力的作用下擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓在應(yīng)力較大的第一扣螺紋處發(fā)生脆性斷裂。
建議在對汽輪機(jī)本體進(jìn)行解體檢修時，加強(qiáng)對汽輪機(jī)低壓缸結(jié)合面螺栓的表面質(zhì)量檢查；對螺紋表面進(jìn)行清洗時，若發(fā)現(xiàn)裂紋、損傷等情況，應(yīng)及時進(jìn)行更換處理；同時加強(qiáng)對機(jī)組鍋爐用水的質(zhì)量檢測，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，避免機(jī)組在腐蝕環(huán)境下運(yùn)行，以延長設(shè)備的使用壽命。
文章來源——材料與測試網(wǎng)