摘要：汽轮机高温螺栓是汽轮机组的关键性部件，其蠕变失效或断裂，不仅造成蒸汽泄漏而影响机组的经济性，还严重危及机组的安全运行。本文论述了汽轮机高温螺栓断裂失效的原因及措施。
关键词：汽轮机；高温螺栓；断裂失效分析
前言：高温螺栓在高温下长期运行后会逐渐老化，有多种失效形式。而火电机组高温螺栓最常见的失效形式是蠕变断裂，因此在役高温螺栓监督检验应以检验蠕变损伤为重点。
1汽轮机概述
汽轮机也称蒸汽透平发动机，是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外作功。它能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。蒸汽在汽轮机中，以不同方式进行能量转换，便构成了不同工作原理的汽轮机。汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流量大，因而能发出较大的功率。
2断口分析和断裂形式
断裂是机器零件失效最严重的表现形式之一。对断裂的研究已发展成一门独立的边缘学科，涉及到断裂力学、断裂物理、断裂化学和断口学等多个分支。其中断口存储记录了大量失效特征及失效原因的信息。因此，断口分析是失效分析最基本、也是最重要的方法之一。
1、沿晶断裂。实际金属材料为多晶粒结构，晶粒之间的边界称之为晶界，沿晶界扩展的裂纹叫沿晶断裂。
2、解理断裂。一种在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常沿一定的严格的晶面-解理面分离。解理断裂的形貌特征为河流花样、河流的上游、支流就是裂纹发源处。肉眼观察断口时，旋转断口可看到许多闪闪发光的亮点，常称小刻面就是解理面。
3、疲劳断裂。在全部结构零件的破坏中疲劳断裂占绝大多数，因此引起人们的特别关注。疲劳是在周期交变应力作用下产生的一种突发破坏形式，在静载荷条件下不存在疲劳。疲劳的抗力指标是疲劳极限
通常低于材料的屈服极限。疲劳断裂在宏观上没有显著的塑性变形，从这个意义上说它属于脆性断裂。
3实验材料
本实验材料是由某发电总厂提供的高压调速汽门螺栓，其规格为M56×4×220，使用材料为20Cr1Mo1VTiB钢，工作温度为535℃左右。断裂位置在螺纹第一扣根部的横截面上。热加工工艺是始锻温度1150℃，终锻温度850～900℃，锻后砂冷，退火处理加热至930～950℃，保温4～6h，缓冷至600℃出炉。热处理工艺是1030～1050℃油淬加700～720℃6h回火，金相组织回火贝氏体。
4实验方法及结果
4.1断口宏观分析
螺栓断口位于螺纹与中间光杆部的交界处；断口平坦、垂直于螺栓轴向；裂纹在螺栓螺纹根部产生，由一侧起裂，向另一侧扩展，可见裂纹扩展条纹；断口的最后断裂区很小、其边缘有少量的剪切唇，没有明显的塑性变形，为脆性断裂。
4.2断口微观形貌观察
用JSM-6490型号扫描电镜观察断裂螺栓断口，从断口形貌可知，断口形貌呈冰糖状，并伴有河流状花样，冰糖状是沿晶断裂形貌，而河流状花样是解理断裂断口的微观基本特征，这表明该断裂属于沿晶和穿晶混合的脆性断裂。在断面晶界处存在孔洞，这与高温蠕变的特征相符。在高温高压环境作用下，晶间微孔在晶界相互连接并聚集，形成晶间或沿晶的微裂纹。
4.3金相检验
在靠近螺栓端部和断口上分别切取横向和纵向金相试样各一块进行金相组织观察分析，断裂螺栓的金相组织基本正常，基体组织为回火贝氏体，夹杂物较少，晶粒度细于4级，横向和纵向组织差异较小。另外，组织中分布有黑色颗粒，因Ti、V是强碳化物形成元素，Cr、Mo是中等强度碳化物形成元素，这些元素与C的结合力较强，易于形成碳化物，初步断定黑色颗粒为碳化物。另外，从心部到外侧组织无差异，同时碳化物分布均匀，纵截面组织与横截面组织相同。
4.4硬度测试
对断裂螺栓采用FM-300显微维氏硬度计进行多点表面硬度实验，由硬度测试结果可知，断裂螺栓的硬度高于螺栓技术要求范围。
5实验结果分析与讨论
1、断裂螺栓的断口较平直且基本垂直于轴向。断口形貌分成大部分的先断区和小部分的终断区，先断区有一缺口。螺栓在拆卸前横断面上已有大面积的开裂，是螺栓在长期高温工作过程中逐渐形成的，而剩下小部分未断裂的金属材料，在拆卸时因无法承受扭力的作用而发生断裂，成为终断区。从断口上先断区与终断区的位置可知，螺栓在承受较大的预紧力、热应力和蒸汽工作应力的同时，还受到弯曲应力的作用，而这种附加弯曲应力可能是由于螺栓的偏心装配所造成的。
2、因断口没有明显的塑性变形，断裂螺栓的断口形貌呈冰糖状，并伴有河流状花样，这表明该断裂属于沿晶和穿晶混合的脆性断裂。由于碳化物的析出，致使硬度和脆性增加，韧性下降。断裂的主要原因是在长期的高温运行过程中蠕变损伤所致。
6防止或减少高温紧固件失效的措施
1、每次机组大修应将现役的高温紧固螺栓检修列为必须检查、检修项目，按时拆卸、清扫、润滑。对不合格螺栓进行全面更换，条件不允许时部分更换，以确保安全运行。
2、脆化程度的检查方法可采用试样硬度测试法：对于强度下降较大的，不宜再继续使用；对于硬度偏高的，可采用恢复性热处理的办法，处理后经检验合格可继续使用。
3、螺栓应力可用探伤的方法检测。每次大修时，对螺栓的螺纹部分进行探伤，淘汰已经产生裂纹的螺栓。
4、在非全部更换螺栓时，将新旧螺栓交错布置，以增强运行的可行性。
5、使用新螺栓必须经光谱、超声波、硬度检验合格后方可使用。新螺栓服役6年以上的，应开始部分更换，并做到“新旧穿插，搭配使用”。
6、新螺栓或经热处理后重新再用的螺栓需建立卡片，做好记录，统一编号，为研究螺栓脆化的变化规律提供依据，同时也为大修中螺栓检修或更换提供可靠数据。
7、如果发现运行中螺栓硬度偏高、冲击值偏低或金相组织出现严重网状晶界时，应考虑进行重新热处理。脆化螺栓经恢复处理后，强度和硬度降低，室温冲击值提高，原有黑色网状晶界消除。
结语：断裂螺栓晶粒粗大，有严重的混晶现象，碳化物及其他夹杂物在晶界呈链状或团状析出，使晶界脆化、晶界结合力下降而产生沿晶裂纹，进而导致螺栓发生沿晶脆性断裂。因此，失效分析是机械差品的质量由不完善走向完善的必经之路，是机械产品可靠性设计重要的一环。
参考文献：
[1]廖景娱.金属构件失效分析[M].北京：化学工业出版社，2014.
[2]杨振国.汽轮机高温螺栓断裂失效分析[J].金属热处理，2014..
[3]高健.汽轮机高温螺栓断裂原因分析[J].甘肃科技，2015.
论文作者:冯辉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：螺栓论文; 断口论文; 汽轮机论文; 高温论文; 金相论文; 碳化物论文; 硬度论文; 《基层建设》2018年第31期论文;