汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析.pdf

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1、第33卷第7期华电技术V01．33No．72011年7月HuadianTechnologyJu1．2011汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析董宇(天津军粮城发电有限公司，天津300300)摘要：某电厂汽轮机高压主汽门螺栓发生断裂失效，对材质为20CrlMolVNbTiB的断裂螺栓进行了理化试验和失效分析。结果表明：主汽门螺栓在加工制造过程中热处理工艺控制不当，导致金相组织存在粗晶，机组运行过程中，螺栓高应力的粗晶区发生沿晶开裂并不断扩展，最终发生主汽门泄漏和螺栓断裂失效。给出了防止由于粗晶问题造成螺栓失效的措施。关键词

2、：高压主汽门；20CrlMolVNbTiB；宏观金相；粗晶；断裂中图分类号：TM621文献标志码：B文章编号：1674—1951(2011)07—0026—020引言某电厂7机组为N200—130／535／535型、超高压、中间再热、三缸三排汽凝汽式汽轮机，主蒸汽压力为12．74MPa，主蒸汽温度为535oC。在机组运行过程中，发现高压主汽门有泄露现象，于2005年1月停机进行小修，在拆卸过程中，发现有1条螺栓发生断裂。断裂螺栓设计材质为20CrlMolVNbTiB，规格为M56i／liBx265mm，为带中心孔结构

3、。20CrlMolVNbTiB材质是我国自行研制的低合金高强度钢，具有较高的持久强度和持久塑性，抗松弛性能好、热脆倾向小、缺口敏感性低，一般用于制造工作温度为570oC以下的图2螺栓断口形貌高温螺栓。1．2光谱分析1试验对该螺栓进行光谱分析，符合20CrlMolVNbTiB的谱线特征，未发现错用材质的问题。1．1宏观检验1．3力学性能检验断裂螺栓外观形貌如图1所示，断裂部位为螺在螺栓螺杆部距断口约60rllm处取3根纵向拉栓第1个螺纹的位置。伸试样，按照DL／T439-2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》的要求进

4、行力学性能试验，试验结果见表1。表1力学性能试验数据图1断裂螺栓外形由螺栓断口断面(如图2所示)可以看出：A区分布在螺栓断面外圈的边缘部位，断面粗糙，呈明显结晶颗粒状，为裂纹源部位，显示出沿晶断裂特征；对1试样做粗晶检查，发现断口断裂源为粗B区颜色深于C区，有人字条纹，是裂纹疲劳扩展期晶区。间形成的，为裂纹扩展区；C区为最终扭断时的断1．4硬度试验裂区。在螺栓螺杆部距断口约30mm处截取圆环试收稿15t期：2010—07—21样，在其断面进行硬度试验，试验结果见表2。第7期董宇：汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析·27

5、·表2硬度值而2试样延伸率为19％、断面收缩率为65％、抗拉试样及执行标准硬度值／HB强度为902MPa，均在合格范围内。之所以出现这4试样260，267，271，280，270种现象，是由于试样截取位置和数量受螺栓结构尺DI／T439—_2006252～302寸限制，1试样部分处在粗晶区，2试样完全处在1．5金相检验细晶区。这同时也说明了粗晶对螺栓性能的影响非常大，粗晶区的存在，使得粗晶区组织晶界非常脆1．5．1宏观组织检验在螺栓螺杆部距断口约30mm处截取圆环试弱，极易产生裂纹源。样，在其端面进行宏观组织检验，结

6、果显示，在螺杆该螺栓断口的起始裂纹源恰好处在粗晶区，而外圈约半圈长度范围内存在0～5mm深度不等的肉粗晶的存在极大降低了螺栓的韧性，成为造成螺栓眼可见的粗大晶粒，按照DL／T439-2006《火力发断裂的裂纹源。由于螺栓工作时，螺纹根部第1圈电厂高温紧固件技术导则》C3．1．2．6的规定，应评螺纹处受力最大，因此，在螺栓的第1圈螺纹与粗晶定为宏观粗晶，如图3所示。重合的部位，最先发生沿晶开裂，在交变载荷作用下不断扩展，最终导致螺栓开裂，造成紧力不够，门体法兰盘处发生漏汽。由断面B区可以看出，泄漏时的裂纹扩展超过了螺栓

7、断面的60％，因此，在小修拆卸此螺栓时发生断裂。组织晶粒粗大与螺栓加工时的热处理工艺是分不开的，同时还与螺栓较高的锻造加热温度有关。因此，为防止粗晶出现，应严格控制螺栓的热处理工艺，尽量采取较低的锻造加热温度并严格控制终锻温度，保证有足够的锻造比。综上所述，螺栓加工过程中热处理工艺控制不区当，导致螺栓金相组织产生粗晶，是造成螺栓断裂的根本原因。图3宏观粗晶3结束语1．5．2微观组织检验20CrlMolVNbTiB钢为我国自行研制的低合金在螺栓粗晶区进行微观组织观察，金相组织为高强度钢，它具较有高的持久强度和持久塑性，

8、抗松方向性贝氏体，晶粒粗大，为0级。在螺栓细晶区进弛性能好、热脆倾向小、缺口敏感性低，但是，如果热行微观组织检验，金相组织为细晶状贝氏体，晶粒度处理工艺控制不好，经常会出现晶粒粗大的现象，对为6级，如图4所示。机组的安全运行造成严重的威胁。因此，对于新螺栓，检查是否存在宏观粗晶非常必要，DIMT439—2006(火力发电厂高温紧固件技术导则》要