張 濤，陳 浩，田 峰，陳志軍，姜 文

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古國(guó)電興安熱電有限公司，烏蘭浩特 137400）

國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)廠采用美國(guó)西屋公司技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的600MW 等級(jí)、亞臨界、一次中間再熱、單軸三缸四排汽、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)組，共有12只蒸汽閥門，其中2只高壓主汽門，4只高壓調(diào)速汽門，2只中壓主汽門和4只中壓調(diào)速汽門，均采用單側(cè)進(jìn)油的油動(dòng)機(jī)控制。該機(jī)組自投運(yùn)以來(lái)已累計(jì)運(yùn)行35 000h。

汽輪機(jī)在檢修解體時(shí)發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)中調(diào)門螺栓斷裂9條，3號(hào)中調(diào)門螺栓斷裂10條，2號(hào)及4號(hào)中調(diào)門螺栓斷裂11條，1號(hào)高主門螺栓斷裂3條，共計(jì)33條，給機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)了極大的安全隱患。

1 試樣及試驗(yàn)方法

選取2條高主門螺栓及2條中調(diào)門螺栓進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)分析，螺栓材質(zhì)全部為國(guó)產(chǎn)20Cr1Mo1VTiB（蒸汽二號(hào)），詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

用自主開(kāi)發(fā)的超聲波螺栓粗晶檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓是否存在晶粒粗大現(xiàn)象進(jìn)行分析［1－2］；用火花源原子發(fā)射光譜法對(duì)其成分進(jìn)行分析；對(duì)螺栓的金相組織和各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)，利用掃描電子顯微鏡對(duì)其斷口進(jìn)行了微區(qū)形貌特征分析。

表1 螺栓詳細(xì)信息

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀檢測(cè)及分析

對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行宏觀形貌檢察。螺栓A 斷裂于螺栓接近螺紋的柔性桿部，表面銹蝕嚴(yán)重，斷口粗糙，無(wú)宏觀塑性變形，呈脆性斷裂特性，如圖1（a）所示。螺栓C斷裂于柔性桿至第二扣螺紋處，斷口形貌與螺栓A 相似，粗糙且無(wú)宏觀塑性變形，呈脆性斷裂特性，如圖1（b）所示。

圖1 斷裂螺栓斷口宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)上述4條汽門螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果各條螺栓的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 超聲波檢測(cè)分析

采用超聲波縱波檢測(cè)技術(shù)對(duì)各螺栓進(jìn)行檢測(cè)。選用CTS－9003超聲波探傷儀，探頭為晶片直徑φ14mm、頻率5 MHz的單晶直探頭，聲速為5 900m／s，探頭延時(shí)為0.3μs，增益為42.8dB。

圖2所示分別為螺栓A、B、C 和D 的端面超聲波反射情況。從圖2（a）中可以看出，在使用相同規(guī)格、頻率探頭和相同增益情況下斷裂螺栓A 的端面一次反射底波高度只有屏幕高度的20%，二次底波和三次底波無(wú)任何顯示，衰減嚴(yán)重；與螺栓A 相同規(guī)格、材質(zhì)的螺栓B 的端面一次、二次和三次反射底波均有較高的幅值，如圖2（b）所示；斷裂螺栓C的端面一次反射底波高為30%，二次底波為20%，三次底波幾乎沒(méi)有，衰減嚴(yán)重，如圖2（c）所示；與螺栓C相同規(guī)格、材質(zhì)的螺栓D 的一、二和三次反射底波均很強(qiáng)，如圖2（d）所示。

可以看出，超聲波在粗晶螺栓中衰減的很厲害。超聲波的散射衰減與材料晶粒尺寸密切相關(guān)，晶粒粗大組織往往呈現(xiàn)各向異性，被散射的超聲波會(huì)沿著更為復(fù)雜的路徑傳回，顯著降低了其穿透能力，造成回波高度的降低，使得利用超聲波回波信號(hào)差異鑒定晶粒級(jí)別成為可能。

圖2 螺栓端面超聲波反射波形圖

2.4 組織檢測(cè)與分析

對(duì)每根螺栓的橫截面取樣進(jìn)行顯微組織檢測(cè)。斷裂的螺栓A 試樣表面經(jīng)腐蝕后即出現(xiàn)肉眼宏觀可見(jiàn)的粗大晶粒組織（宏觀粗晶），晶粒平均直徑大于0.5mm，如圖3（a）所示。其顯微組織中多數(shù)晶粒為具有框架狀的貝氏體結(jié)構(gòu)，束狀鐵素體變短，不同位向的晶粒之間有較大的反差，如圖3（b）所示。按照標(biāo)準(zhǔn)［3］要求其晶粒級(jí)別被評(píng)為2級(jí)，而對(duì)于原設(shè)計(jì)材料為20Cr1Mo1VTiB 的柔性螺栓允許使用晶粒級(jí)別只能為5級(jí)。因此該螺栓晶粒等級(jí)已超標(biāo)。這種粗大晶粒組織會(huì)嚴(yán)重降低螺栓的沖擊韌性和持久塑性。

圖3 斷裂螺栓A 橫截面宏觀及顯微組織

未斷裂的高壓主汽門螺栓B 的橫截面中各部位宏觀不能分辨晶粒，被檢面呈銀灰色細(xì)瓷狀的微觀細(xì)晶結(jié)構(gòu)，其顯微組織為細(xì)晶狀貝氏體，晶粒細(xì)小，不能分辨晶內(nèi)組織，按照標(biāo)準(zhǔn)要求其晶粒級(jí)別被評(píng)為5級(jí)，符合要求，如圖4所示。

圖4 未斷裂螺栓B橫截面顯微組織

圖5所示為斷裂的中壓調(diào)速汽門螺栓C 的橫截面組織狀態(tài)。該螺栓橫截面經(jīng)腐蝕后肉眼宏觀可見(jiàn)晶粒粗大，晶粒平均直徑大于0.5mm，不同晶粒的位向之間有很大的反差。顯微組織為粗大的框架狀貝氏體結(jié)構(gòu)，晶內(nèi)排狀貝氏體交叉分布，呈發(fā)達(dá)的框架狀結(jié)構(gòu)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求其晶粒級(jí)別為1級(jí)，不合格。

圖5 斷裂的螺栓C橫截面顯微組織

圖6所示為未斷裂的中壓調(diào)速汽門螺栓D 的組織狀態(tài)?？梢钥闯?，該螺栓橫截面各部位宏觀不能分辨晶粒，被檢面呈銀灰色細(xì)瓷狀的微觀細(xì)晶結(jié)構(gòu)；顯微組織為細(xì)晶狀貝氏體，晶粒細(xì)小，不能分辨晶內(nèi)組織。按照標(biāo)準(zhǔn)要求晶粒級(jí)別評(píng)為5級(jí)，合格。

晶粒尺寸是影響材料斷裂韌性的重要因素。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，使裂紋能越過(guò)有復(fù)雜位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的晶界而失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)所消耗的能量就越大，斷裂韌性就越高［4－6］。

圖6 未斷裂的螺栓D 橫截面顯微組織

2.5 力學(xué)性能檢測(cè)與分析

對(duì)各送檢螺栓取樣進(jìn)行各項(xiàng)常溫力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

可以看出，各螺栓的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且未發(fā)生斷裂的螺栓的強(qiáng)度稍低于斷裂螺栓，而斷后伸長(zhǎng)率卻高于斷裂螺栓，說(shuō)明斷裂螺栓塑性儲(chǔ)備不足。此外，2條斷裂螺栓的沖擊吸收功均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明其斷裂韌性很差，難以抵抗較強(qiáng)的沖擊載荷。

表2 各螺栓的常溫（20℃）力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.6 斷口微區(qū)形貌分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)上述每根螺栓的沖擊斷口進(jìn)行微區(qū)形貌特征分析，如圖7所示。

可以看出，螺栓A 和螺栓C的沖擊斷口呈脆性河流狀解理斷裂特征；螺栓B 的沖擊斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征；螺栓D 的沖擊斷口上存在大量等軸狀均勻分布的韌窩，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

3 結(jié)果與分析

各條螺栓的化學(xué)成分中各元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷裂的螺栓A 和C的組織中存在肉眼宏觀可見(jiàn)的粗大晶粒，顯微組織均為粗大框架結(jié)構(gòu)的貝氏體，晶粒級(jí)別分別為2級(jí)和1級(jí)，不符合要求。而未斷裂的螺栓B和D 的組織均為細(xì)晶狀的貝氏體，晶粒級(jí)別為5級(jí)，符合要求。各螺栓的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度均合格，但未斷裂螺栓的強(qiáng)度稍低于斷裂螺栓，而斷后伸長(zhǎng)率卻高于斷裂螺栓，說(shuō)明斷裂螺栓脆性大而塑性儲(chǔ)備不足。此外，2條斷裂螺栓的沖擊吸收功均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明斷裂螺栓的韌性也很差，缺口敏感性大。

從斷口微區(qū)形貌特征分析，斷裂螺栓A 和C 的沖擊斷口呈脆性河流狀解理斷裂特征；螺栓B 的沖擊斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征；螺栓D 的沖擊斷口上存在大量等軸狀均勻分布的韌窩，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

20Cr1Mo1VTiB 作為我國(guó)自行研制的高溫緊固螺栓用鋼，經(jīng)正確的熱處理后具有良好的綜合力學(xué)性能和熱加工性能，570℃下具有較高的抗松弛性能，缺口敏感性較小，高溫持久塑性較高，淬透性較好，其熱處理制度為：1 030～1 050℃油淬加700～720℃不少于6h的回火［7］。但由于該材料具有嚴(yán)重的組織遺傳性，如果鍛造溫度過(guò)高或鍛后退火處理不當(dāng)，會(huì)將方向性排列的粗大組織遺傳下來(lái)，降低材料的塑性和沖擊韌性。高溫螺栓的應(yīng)力集中敏感性與材料的塑性有關(guān)，如果材料在高溫使用中有較高的持久塑性，則對(duì)應(yīng)力沿螺紋重新分布產(chǎn)生有利影響，而當(dāng)螺栓塑性不足，其缺口處的應(yīng)力峰值高于持久強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在螺紋缺口處產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致斷裂［8］。

圖7 螺栓沖擊試樣斷口SEM 形貌

4 結(jié)論

使用超聲波技術(shù)可以有效、高效地檢出國(guó)產(chǎn)材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB或20Cr1Mo1VNbTiB的汽輪機(jī)用高溫緊固螺栓是否存在晶粒粗大現(xiàn)象。

汽輪機(jī)汽門螺栓斷裂的主要原因是由于熱加工及熱處理工藝不當(dāng)，繼承了高溫鍛造時(shí)遺留的粗大框架組織，使得材料的塑性儲(chǔ)備和沖擊韌性嚴(yán)重不足，缺口敏感性增大，螺栓高溫運(yùn)行時(shí)在汽門頻繁動(dòng)作的工況下在螺紋溝槽處萌生裂紋并擴(kuò)展而引發(fā)的脆性解理斷裂。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)重視對(duì)高溫緊固螺栓的技術(shù)監(jiān)督工作，可使用超聲波與金相檢驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)所有入廠材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB或20Cr1Mo1VNbTiB材質(zhì)高溫緊固螺栓等進(jìn)行全面的粗晶普查，嚴(yán)禁使用組織及力學(xué)性能不合格的粗晶螺栓，以免再次出現(xiàn)類似斷裂事故。

［1］王立新，孫常明，田峰，等.用超聲波探傷鑒定20Cr1Mo1V（Nb）TiB 粗晶螺栓的研究［J］.華北電力技術(shù)，2008（7）：1－3.

［2］王立新，孫常明，田峰，等.20Cr1Mo1V（Nb）TiB 緊固件晶粒級(jí)別超聲波二次底波法檢測(cè)技術(shù)研究［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30（6）：12－16.

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL／T 439—2006火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［4］任學(xué)沖，李高洋，宿彥京，等.夾雜物和晶粒尺寸對(duì)潔凈車輪鋼室溫沖擊韌度的影響［J］.理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)，2012，48（4）：207－212.

［5］MALONEY J L，GARRISON JR W M.The effect of sulfide type on the fracture behavior of HY180steel［J］.ACTA Materialia，2005（53）：533－551.

［6］TSUNEKAGE N，TSUBAKINO H.Effect of sulfur content and sulfide－forming elements addition on impact properties of ferrite－pearlitic microalloyed steels［J］.ISIJ International，2001，42（5）：498－505.

［7］姜求志，王金瑞，馬士林，等.火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［8］蔡文河，嚴(yán)蘇星.電站重要金屬部件的失效及其監(jiān)督［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.