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瀏覽│·☁:- 釋出日期│·☁:2021-09-06 13:24:09【

邱康勇,張 傑,吳繼權

(深圳市特種裝置安全檢驗研究院,深圳 518029)

摘 要:某電廠在停爐檢修時發現一主汽門閥蓋螺栓斷裂失效,採用宏觀分析•·、化學成分分析•·、硬度試驗•·、金相分析•·、斷口以及能譜分析等方法對螺栓斷裂原因進行了分析.結果表明:螺栓斷裂的主要原因為螺栓顯微組織粗大且不均勻,在長期高溫和應力作用下,區域性位置的晶界發生蠕變產生蠕變孔洞;然後在腐蝕介質的作用下,裂紋從晶界蠕變孔洞處萌生並沿晶界擴充套件,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

關鍵詞:螺栓;斷裂;蠕變;腐蝕;沿晶脆性斷裂;失效分析

中圖分類號:TG115.2 文獻標誌碼:B 文章編號:1001G4012(2018)04G0304G04

FailureAnalysisonFratureofaMainSteamValveCoverBolt

QIUKangyong,ZHANGJie,WUJiquan

(ShenzhenInstituteofSpecialEquipmentInspectionandTest,Shenzhen528029,China)

Abstract:Themainsteamvalvecoverboltinapowerplantwasfoundfracturedwhentheboilerwasshutdownformaintenance.Meanssuchasmacroanalysis,chemicalcompositionanalysis,hardnesstest,metallographicanalysis,fractureandenergyspectrumanalysiswereusedtoanalyzethecausesfortheboltfracture.Theresultsshowthatthemainreasonfortheboltfracturewasthatthemicrostructureoftheboltwascoarseanduneven.Under

theactionoflongGterm hightemperatureandstress,creephappenedandcreepcavitiesappearedatlocalgrainboundary.Thenundertheactionofthecorrosivemedium,cracksgeneratedfromthegrainboundarycreepcavitiesandexpandedalongthegrainboundary,whicheventuallyresultedintheoneGtimeintergranularbrittlefracture.

Keywords:bolt;fracture;creep;corrosion;intergranularbrittlefracture;failureanalysis

    高溫螺栓是火力發電廠廣泛使用的緊韌體之一,在役機組 的 高 溫 螺 栓 出 現 失 效 現 象 在 火 電 廠事故中較為普遍[1].某電廠在2016年12月停爐檢修時 發 現 其 中 一 根 主 汽 門 閥 蓋 螺 栓 斷 裂 成 兩截,如圖1 所 示.失 效 的 主 汽 門 閥 蓋 螺 栓 標 稱 材料為20Cr1Mo1VTiB鋼,規格為 M56mm,且為雙頭螺栓.該螺栓所在機組於2005年投入使用,截止到發現螺栓斷裂時已累計執行40000h,期間共有過 4 次 拆 裝,機 組 工 作 期 間 最 高 運 行 溫 度 為530 ℃,每天執行時間為10h.為查明失效原因,避免類似失 效 的 再 發 生,筆 者 對 該 斷 裂 螺 栓 進 行了檢驗和分析.

主汽閥門螺栓安裝位置


1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖2為斷裂主汽門閥蓋螺栓的整體宏觀形貌,可見斷裂發生在雙頭螺栓一頭的最後一條螺紋處,該處為螺栓應力集中較大的區域.圖3為螺栓斷口宏觀形貌,可見斷口比較粗糙,且較為平坦,呈顆粒狀,斷口上未觀察到放射區和纖維區,斷口整體比較灰暗,呈脆性斷裂特徵[2].

斷裂螺栓宏觀形貌

1.2 化學分析

    在斷裂主 汽 門 閥 蓋 螺 栓 上 截 取 光 譜 試 樣,經清洗•·、乾燥•·、打 磨 後,採 用 臺 式 直 讀 光 譜 儀 進 行 化學成分 分 析,結 果 見 表 1. 可 見 斷 裂 螺 栓 的 化學成分符合DL/T439-2006«火力發電廠高溫緊韌體技術導 則»對 20Cr1Mo1VTiB 鋼 成 分 的 技 術要求.

表1 螺栓化學成分分析結果(質量分數)

表2 螺栓硬度試驗結果



螺栓斷口宏觀形貌


1.3 硬度試驗

    在主汽門閥蓋螺栓斷口附近擷取橫截面試樣,打磨•·、拋光後進行布氏硬度試驗,結果見表2.可見斷裂螺栓的布氏硬度亦符合 DL/T439-2006 對20Cr1Mo1VTiB鋼的技術要求.


1.4 金相分析

    在主汽門閥蓋螺栓斷口附近擷取橫截面試樣,鑲嵌•·、打磨•·、拋光後用4%(體積分數)硝酸酒精溶液進行侵蝕,光學顯微鏡(OM)下觀察試樣顯微組織形貌見圖4.顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,但組織分佈不均勻,部分晶粒較為粗大,且晶界處存在細小的蠕變孔洞[3G4].將金相試樣置於掃描電鏡(SEM)內進行觀察,同樣可見晶界處存在少量細小的蠕變孔洞,見圖5.

1.5 斷口掃描電鏡及能譜分析

    將主汽門閥蓋螺栓斷口切取下來,經無水酒精清洗乾淨•·、乾燥後,置於掃描電鏡內進行觀察.可見螺栓表 面 有 大 量 的 覆 蓋 物,覆 蓋 物 形 貌 及 能 譜(EDS)分析結果見圖6,由此可推斷出該覆蓋物為鐵的氧化產物.

圖4 螺栓橫截面顯微組織 OM 形貌

將斷口進一步並且乾燥後,置於掃描電鏡內再次進行觀察,斷口形貌見圖7.可見斷口主要呈冰糖狀沿晶斷裂形貌,斷口上可見二次裂紋與孔洞,斷口區域性放大可見解理臺階,呈典型的脆性斷裂形貌特徵[5].




圖5 螺栓橫截面顯微組織SEM 形貌



圖6 斷口表面覆蓋物SEM 形貌及 EDS分析結果

圖6 斷口表面覆蓋物SEM 形貌及 EDS分析結果

Fig.6 Thea SEM morphologyandb EDSanalysisresultsof

coveringsonthefracturesurface


呈冰糖狀沿晶斷裂形貌,斷口上可見二次裂紋與孔洞,斷口區域性放大可見解理臺階,呈典型的脆性斷裂形貌特徵[5].



2 綜合分析

    由上述理化檢驗結果可知,斷裂主汽門閥蓋螺栓的化學成分和硬度均滿足 DL/T439-2006 對20Cr1Mo1VTiB鋼的技術要求.

    由金相分析結果可知,主汽門閥蓋螺栓顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,組織分佈不均勻,部分晶粒較為粗大,同時晶界處存在蠕變特徵.蠕變的產生主要與溫度及應力有關,螺栓的使用溫度為530 ℃,該 溫 度 未 超 過 材 料 的 最 高 許 用 溫 度(570 ℃),但也是在高溫下服役.螺栓服役過程中的應力來自以下4個方面:第一,當機組平穩工作時,在530 ℃溫度下,螺栓同時承受一定的熱應力,但當機組處於啟動和結束兩個階段時,螺栓承受的則是交變熱應力;第二,結合螺栓的裝載位置及螺栓一頭套在螺帽內的特點可以看出,該螺栓承受一定的剪下應力;第三,螺栓在服役過程中,存在機械交變迴圈應力的作用,機械交變迴圈應力主要來源於鍋爐停爐•·、啟動及執行過程中的負荷波動;第四,由於螺栓斷裂位置位於最後一條螺紋處,此處本身就為應力集中位置.

    由斷口分析結果可知,斷口受到較嚴重的腐蝕作用;斷口主要呈沿晶冰糖狀,同時可見二次裂紋與孔洞,孔洞的形成與腐蝕及蠕變有關.因此可以判斷該主汽門閥蓋螺栓發生的是沿晶脆性斷裂.綜合以上分析,由於螺栓顯微組織晶粒較粗大且組織分佈不均,螺栓長期承受530℃高溫,在一定應力作用下區域性位置的晶界發生蠕變,晶界處的蠕變孔洞成為裂紋源,然後在腐蝕介質的作用下,裂紋在晶界處萌生並沿晶界擴充套件,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

3 結論及建議

    該主汽門閥蓋螺栓斷裂為一次性沿晶脆性斷裂;造成其斷裂的原因是螺栓顯微組織粗大且分佈不均勻,在長期的高溫和應力作用下,區域性位置的晶界發生蠕變產生蠕變孔洞,然後在腐蝕介質的作用下晶界蠕變孔洞處萌生裂紋並沿晶界擴充套件,最終造成螺栓一次性沿晶脆性斷裂.




圖7

    建議加強對螺栓使用前的抽查檢驗;檢修過程中應對螺栓進行無損檢測,必要時可進行現場化學成分•·、硬度•·、金相等專案的檢驗;加強對鍋爐水質溶解氧以及pH 值等指標的監測.


(文章來源│·☁:材料與測試網-理化-物理 2018年 > 4期 > pp.304)

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