高温紧固件脆性断裂:高温螺栓

阶梯钻高温螺栓是汽轮机设备中重要部件之一,连接着汽轮机汽缸、主汽门、调节气门及导汽管等高温部件,确保机组在运行过程中不发生泄漏。我公司近期高调门盖螺栓多台机组发生断裂,严重威胁机组的安全运行,所幸机组检修期间发现及时,未造成螺栓脆性断裂伤人恶性事故,因此高温紧固件断裂失效值得借鉴排查。

【关键词】高温紧固件;蠕变脆性断裂

1事件经过及处理12月份,某电厂#4机组检修过程中发现规格为M20×80高调门阀盖螺栓(见图1)断裂,其中4-1调门断裂13根,4-2调门断裂11根,4-3调门断裂13根,4-4调门断裂8根,共计45根,断裂螺栓达70%,随机将断裂螺栓送检,并将64根螺栓全部替换。针对此不安全情况,对备用的#2机组进行同类问题排查,同样存在螺栓断裂的情况(10根),其中2-3高调门盖螺栓断裂最多,达7根。

 

图1

 

图2

 

2原因分析该电厂#4机组累计运行24906h,启停9/9次,高调门阀盖螺栓设计材质为20CrlMolVTiB,宏观断口呈脆性断裂形貌(见图2),有过载断裂倾向。裂纹起始于第一个螺纹丝扣尖端,其断口比较粗糙,呈结晶颗粒状,一部分属于旧的裂纹,其表面已有严重锈斑,并且无金属光泽;另一部分为新断口,具有金属光泽,为结晶状断口。这种现象说明螺栓在断裂前已有裂纹存在,裂纹发展到一定程度后发生的断裂。

理化分析结果:①螺栓化学成分分析结果所含合金元素含量均在标准要求范围内,与设计材质相符;②螺栓硬度检验结果均在180-200HB之间,远低于标准要求(255-293HB),力学性能下降明显;③断裂螺栓抽样送检,其金相组织晶粒粗大,晶粒度级别为2级。

综上所述,20CrlMolVTiB螺栓生产过程中出现粗晶,导致蠕变断裂韧性降低,在高温长期运行下,力学性能进一步下降,使用性能不满足运行要求,导致螺栓大面积断裂。

3高温螺栓20CrlMolVTiB断裂因素3.1具有蠕变脆性

由于自身的特点,20CrlMolVTiB螺栓具有严重组织遗传性,其在生产过程中经常出现粗晶现象,即低倍试验中出现肉眼可见的、在不同角度的光线下呈现不同色泽与光亮度的多边形颗粒斑块(混晶)。存在晶粒粗大必然导致蠕变断裂韧性降低,使用性能不能满足运行要求。

3.2 应力集中影响

螺栓的螺纹相当于缺口作用,若螺纹加工质量不好,螺纹根部圆角半径过小,因而在此尖锐缺口处存在较高的应力峰。同时螺栓结构设计不合理,在螺栓与工作颈过渡区无圆角,在第一丝扣螺纹上造成严重的应力集中。据资料介绍:在第一丝扣上的应力集中相当于承受全部应力的50%左右。

3.3 运行状况影响

机组如多次启停和运行负荷不稳定变化,都将使汽轮机运行温度波动,以致沿螺栓长度方向发生温度梯度变化,产生一定的热应力,造成热应力低循环疲劳,若频繁启停和负荷变化将使螺栓承受蠕变和疲劳的交互作用。

3.4 安装时螺栓偏斜的影响

安装螺栓时,由于螺栓与法兰不垂直,或螺帽、垫圈结合面歪斜,法兰凹凸不平等原因,都会使螺栓扭紧后发生偏斜。在偏斜的影响下,将会使螺栓产生较大的弯曲应力,以致造成沿螺栓圆周上承受不均匀的附加轴向应力。

4预防措施螺栓采购宜实行定点采购,金属监督人员了解其生产过程和质量保证体系,并与制造厂专业人员沟通,确保螺栓生产和检验按规定要求进行,从而提高新螺栓入厂合格率。新螺栓入库前必须检验,不经检验不能入库,严格执行DLT438标准要求及公司到货验收制度,由于20CrlMolVTiB钢螺栓具有严重组织遗传性,建议提高晶粒级别评定检验比例,彻底防治晶粒粗大导致螺栓脆性断裂。

4.1加强机组检修螺栓的监督

螺栓长期运行后需进行理化检验,以便及时发现缺陷,掌握材料的组织性能变化规律。重点检查以下内容:

(1)蒸汽温度510℃以上而具有热脆倾向的25Cr2MoV和25Cr2Mo1V钢螺栓;

(2)已断裂的螺栓组中尚未断裂的螺栓;

(3)对拆装频繁的螺栓,应缩短检验周期;

(4)高压汽缸高温段螺栓、调速汽门和主汽门螺栓;

(5)运行前检验发现有硬度异常、具有黑色网状奥氏体晶界的螺栓;

(6)对大于或等于M32的高温螺栓应拆卸100%无损探伤(超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、内窥镜观察中心孔)

(7)严格执行DLT438标准要求,蠕变测量、材质复合、硬度检测、超声波检测及金相组织分析;

(8)在任何情况下,断裂的螺栓均应解剖试验和失效分析;

(9)对于调峰机组使用的高温螺栓应增加检验比例。

4.2严格执行螺栓的更换与报废制度

1)对运行后检验结果符合下列条件之一的螺栓应进行更换。①硬度超标;②金相组织有明显的黑色网状奥氏体晶界;③U形缺口的冲击功:调速汽门螺栓和采用扭矩法装卸的螺栓,Ak≤47J;采用加热伸长装卸或油压拉伸器装卸的螺栓,Ak≤24J;

2)符合下列条件之一的螺栓应报废:①螺栓的蠕变变形量达到1%;②已发现裂纹的螺栓;③发生热脆性,达到更换螺栓的规定;④外形严重损伤,不能修理复原;⑤螺栓中心局部烧伤熔化。

5总结在大小修或日常检修过程中,M32规格以下螺栓普遍重视程度不足,检验项目单一,使用前、投运后的检验标准过低,一直是行业内金属监督管控的盲区,后续应加强该项目的管理。

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