秦皇島熱電廠高溫鎳基合金螺栓斷裂原因分析

    

0　前言

1997年5月13日秦皇島熱電廠3號汽輪機(N300-16.7/538/538型)，首次大修於高壓缸解體時，發現內缸結合面螺栓斷裂3條。進一步檢查，又發現有5條螺栓有裂紋。斷裂螺栓數量占內缸結合面螺栓總數50%。此時螺栓累計服役僅10 506 h，機組啟停32次。

鑒於螺栓大量斷裂的嚴重性，於是對同型號的4號機組於1997年9月25日小修時也進行開缸檢查，結果發現高壓內缸結合面有5條螺栓也存在裂紋，同時發現高壓靜葉持環螺栓也斷裂3條。此時，機組累計運行僅8 533 h，啟停僅39次。

有鑒於此，電廠不得不縮短機組檢修周期，於1997年12月、1998年4月又分別對4號、3號機組進行揭缸檢查，結果發現螺栓又斷、裂13條。距前次揭缸檢查僅1 497 h(4號機組)和6 297 h(3號機組)。在不到2 a的時間裡2台機組汽缸螺栓斷裂達29條之多，僅更換這些螺栓就耗資55萬元。

為查找螺栓斷裂原因，對部分斷、裂螺栓做了金屬觀察試驗，並比較了同批備件和同一廠家生產的同類螺栓的檢查結果，進行了簡要分析，認為螺栓斷、裂主要系製造質量不良所致。鑒於一些電廠的新機組也存在同樣問題，因此提出相應的質量改進和監督的建議，希望能對其它電廠的此類螺栓金屬安全監督工作有些參考借鑒作用。

1　金屬檢驗

斷裂螺栓金屬牌號為GH4145/SQ，系高溫鎳基合金。3、4號機組共8個部位裝用此牌號螺栓計23種規格，542條。高、中壓缸螺栓斷裂情況見?表1。

表1
螺栓斷裂位置及分類

類別 斷裂位置 螺栓名稱 螺栓編號 合計 1 螺母支撐
面齊平處
螺紋底部 3號機 高壓內缸 A4 A6 A7 B1 B6 5 4
號
機 高壓內缸 B1 A8 2 高壓靜葉持環 B4 1 高壓平衡活塞環 B12 1 2 栽絲側螺
紋底部 3號機 高壓內缸 A1 1 3 缸體結合
面上下各
100 mm間
螺桿部位 3號機 中壓內缸 A1 B1 B2 3 4
號
機 高壓內缸 A1 1 中壓內缸 A1 A2 B1 B2 4 高壓靜葉持環 A8 1 其它螺
桿部位 4
號
機 高壓內缸 A2 1 中壓內缸 A3 1 高壓靜葉持環 A4 A5 A6 3 高壓平衡活塞環 A13 1 4 縱裂紋或縱
橫混合型 3號機 高壓內缸 A8 B4 2 新備件 高壓平衡活塞環 ?φ65×420螺栓縱裂紋7條 1 5 頂端內孔
R處橫裂 4號機 高壓內缸 A3 B2 2

 

 

持環A5螺栓斷裂在無螺紋的光桿部位，裂紋始於外表面，其它也略同A6螺栓。

1998年4月從原生產廠家購進的?φ65×420規格定位螺栓到貨檢驗，發現螺栓定位處表面分佈著長短不一的縱向裂紋7條，最長的達40餘毫米。

表2的斷裂螺栓有半數斷裂於無螺紋的光桿部位，裂紋均始於外表面。多數螺栓裂紋呈多源性。裂紋長度5～150 mm或圓周開裂不等。
1.2　元素成分分析

為驗證螺栓元素成分，用英產1650型光電直讀光譜儀對運行過的已斷、未斷螺栓和隨機備件及3次從原製造廠家購進的螺栓650餘件進行了分析，鎳、鉻、鋁、鈦、鈮、鐵等主加合金元素含量基本符合「Q/YB04133-90Y」標準規定。

與此同時，還由製造廠家對3號機A4斷裂螺栓的元素成分進行了化學分析，其結果也在標準規定的範圍。
1.3　機械性能試驗
1.3.1　硬度檢驗

製造廠40.46-91標準中對GH4145/SQ高溫鎳基合金的硬度規定範圍較寬，其值為262～331 HB。經對各規格的服役件、隨機備件、斷裂及新購件計630餘條螺栓進行檢測，其結果均符合標準規定。
1.3.2　拉伸、衝擊試驗

選3號機高壓內缸結合面M85×850規格B6號裂紋螺栓做常溫、高溫拉伸試驗和衝擊試驗。高溫試驗委託國家鋼鐵材料測試中心完成。結果見?表2。

表2
B6螺栓的機械性能

試驗

溫度
/℃

σ_0.2/MPa σ_b/MPa σ₅/% Ψ/% a_?k/
J^.cm^-2 標準 檢驗值 標準 檢驗值 標準 檢驗值 標準 檢驗值 20 ≥550 675 ≥1 000 1 173 ≥12 24.7 ≥18 30.3 101 350 　 610 1 018 1 027 23.0 19.0 36.7 15.0 86.3 540 554 625 986 1 043 19.3 15.7 28.4 12.3 84.3

1.4　金相檢驗

選最早發現斷裂的有代表性的3號機高壓內缸M85×850的A6、A7、B6，?100×960的A8 4條大直徑螺栓和4號機靜葉持環?38×305規格及新購有縱向裂紋的?65×420 2條小直徑螺栓，取樣做金相組織和裂紋形態的觀察，並對比了尚未使用的M85×850規格新螺栓的抽樣檢驗結果。發現：(1)晶粒度大小不均。最大晶粒可達-3級，最小6～7級；近螺栓外表面晶粒較小，近中心部位晶粒粗大。(2)晶界有大量析出相聚集。無論是大直徑、小直徑、已斷裂或未斷裂螺栓均有不同程度的物相在晶界聚集。(3)裂紋沿晶界擴展，裂紋的形態大致分為2種：①裂紋起始於外表面，沿晶界向內部或兩側擴展，。②裂紋距螺栓外表面尚有一定距離，沿晶開裂。

 

 

1.5　斷口掃描與x射線能譜分析

為觀察螺栓斷裂性質和微觀斷口形貌，冶金部鋼鐵研究總院用JSM6400型掃描電鏡對3號機高壓內缸斷裂螺栓進行觀察，發現晶粒大小不均，斷面皆為沿晶斷口。

 

 

為進一步探索螺栓斷裂與微量元素的關係，在進行斷口觀察時用exl-x射線能譜儀對A6、B6、A7螺栓斷口及裂紋處進行定量分析，其結果為螺栓金屬元素總量符合有關標準，螺栓斷裂與螺栓材料總的成分含量無關。
1.6　螺栓緊固應力核算

為了查明螺栓緊固方法、預緊應力對螺栓斷裂的影響，進行了現場調查和螺栓緊固應力核算。

按設備說明書要求，螺栓冷緊后即行加熱螺栓，然後以擰轉螺母方式熱緊。以M85×850螺栓為例，說明書要求冷緊力矩為90 kg*m，熱緊要求擰轉263°，安裝圖紙要求擰轉220°。經計算，按前者要求熱預緊力約為499 MPa；按後者要求熱預緊力約為418 MPa。

經調查，現場實際操作是按後者熱預緊要求進行。其熱緊值與螺栓斷裂后製造廠家提供的中分面螺栓緊固的補充說明中修改的熱緊數值相比較，約高?42 MPa。

2　檢測結果分析

2.1對螺栓及斷口宏觀觀察，部分已服役螺栓存在表面裂紋，新備品螺栓同樣也存在裂紋甚至存在縱向裂紋。導致螺栓斷裂的缺陷在螺栓服役前就存在了。從部分螺栓斷裂於非應力集中的光桿部位而不是通常的存在應力集中的螺紋根部更可證明此點。
2.2　從光譜和化學分析結果看，螺栓金屬元素總量符合有關標準。螺栓斷裂與螺栓材料總的成分含量無關。
2.3　從機械性能試驗結果可知螺栓金屬硬度——強度充足，只是高溫塑性、韌性明顯降低。表明螺栓中存在高溫時可致金屬塑性、韌性下降的不良因素(如：晶界存在低熔點硫化物或微裂紋等)。
2.4　通過光學金相觀察，螺栓晶粒度表裡不均，內部晶粒粗大，嚴重超標。部分晶界存在大量的聚集物相，有的還呈網狀，個別地方由於聚集物甚多，且由於這些聚集物機械性能甚低，幾乎使晶界等同裂紋(圖5)。所以，裂紋沿此類晶界發展，因此掃描電鏡觀察結果「全斷面皆為沿晶斷口」。
2.5　從對螺栓金屬斷口和裂紋的x射線能譜分析結果可知，螺栓金屬晶界存在大量(而且多種)雜質元素。從A6螺栓沿晶斷裂裂紋起始處的分析結果可見，該處僅硫含量即達1.985%，接近正常允許含量200倍，有的甚至達到500倍。

眾所周知，硫在固溶體中溶解度很小(尤其在含鎳高的γ固溶體中)，所以在金屬凝固過程中，硫將向未凝固的液體部分富集，直到在最後凝固部位形成低熔點硫化物及與其它金屬形成熔點更低的共晶體夾雜。因此在鍛軋加熱時容易過熱、過燒，以致鍛軋時就產生裂紋。這種偏析於晶界上的夾雜物，在鍛軋時將沿鍛軋拔長方向成條帶分佈或在繼續鍛軋過程中形成縱向裂紋(亦即螺栓出現縱向裂紋的唯一原因)。這種雜質的沿晶界偏析不僅在坯材鍛軋時易於開裂，而且由於強度極低，也為金屬部件在服役過程中產生晶間裂紋，從而發生部件開裂提供了條件。掃描電鏡觀察結果為「全斷面皆為沿晶斷口」，即更證明此點。
2.6　從螺栓緊固應力核算結果與製造廠家修改後數據相比可知，螺栓預緊應力值偏大。

3　結束語

基於以上分析結果建議製造廠加強各生產階段及成品的質量檢驗；使用部門須在安裝前進行複檢，發現問題及早採取措施進行更換。