汽轮机中压调汽门螺栓断裂分析

叶建弘　周左平　王　然

(国家电力公司电力建设研究所　北京102401)

摘　要：采用力学性能、金相分析等方法，对汽轮机螺栓的断裂进行了分析。分析结果表明，螺栓在长期高温运行过程中，碳化物沿晶析出导致晶界弱化，从而在应力作用下形成疲劳源，最终产生疲劳断裂。

主题词：螺栓；　疲劳断裂；　碳化物析出；　晶界弱化

1　情况简介

某电厂3号和4号汽轮机中压调汽门螺栓，规格为M25，工作温度540°C，运行时间12万h，螺栓材质为前苏联ЭП182(20X1M151TP)，相当于国产2号螺栓钢(20Cr1Mo1VTiB)。螺栓断裂时的环境条件不详。使用方提供的分析试样为3号和4号汽轮机断裂螺栓各2根，及运行12万h但未断裂的螺栓2根。

2　理化检验

2.1　断口分析

从螺栓断口的宏观形貌可以看出，所有断口上均有明显的疲劳纹，且疲劳源区均位于断口外缘的螺纹根部，显然应力集中是产生疲劳源的外在起因。疲劳扩展区在整个断口上所占的比例较大，最终断裂区面积则较小(见图1，图中螺纹表面类似腐蚀坑的凹坑为取样和送样过程中造成的机械损伤)。由于疲劳裂纹的扩展是在高温运行条件下进行的缓慢过程，因此，断口表面锈蚀严重，断口微观形貌无法观察。

图1　3号汽轮机螺栓断口的宏观形貌

2.2　化学成分分析

分别对3号和4号汽轮机断裂螺栓以及未断螺栓进行化学成分分析，各元素的成分含量基本符合ГОСТ标准和GB3077-1988标准的要求，见表1。

2.3　力学性能试验

力学性能试验包括常温拉伸、高温短时拉伸、冲击和硬度试验四项，试验结果见表2。

由表中试验数据可知:

　(1)螺栓经12万h运行后，抗拉强度大部分仍能满足标准要求，已断螺栓的抗拉强度值均较高，但有一根未断螺栓的抗拉强度值反而低于合格标准，可见，运行过程中抗拉强度的降低并不是造成螺栓断裂的直接原因。

(2)螺栓经12万h运行后，材料的冲击韧性有高有低，波动较大，但从未断螺栓的冲击韧性均低于断裂螺栓这一点可以认定，螺栓在运行过程中冲击韧性的降低也不是造成螺栓断裂的直接原因。

(3)材料硬度在螺栓运行过程中无明显变化。

(4)螺栓在550°C下的高温抗拉强度仍符合标准要求。

2.4　金相分析

在3号和4号汽轮机断裂螺栓上远离断口的部位、断口的疲劳源区及在未断螺栓上分别取样进行金相分析，取样部位见图2，其显微组织见图3～5。

图2　金相分析取样部位示意图

由图3b和图4b可见，在3号和4号汽轮机断裂螺栓的疲劳源区均有沿晶析出的碳化物，而在未断螺栓以及3号和4号汽轮机断裂螺栓远离断口的金相试样中则未见明显的碳化物析出，见图3a、图4a和图5。可见，螺栓经高温长期运行后局部区域碳化物沿晶析出导致晶界强度弱化是引发疲劳源的内在因素。

    (a)远离断口处之显微组织，回火贝氏体              (b)疲劳源区显微组织，回火贝氏体+沿晶析出的碳化物

图3　3号汽轮机断裂螺栓的显微组织　400×  3%硝酸酒精溶液侵蚀

    (a)远离断口处之显微组织，回火贝氏体             (b)疲劳源区显微组织，回火贝氏体+沿晶析出的碳化物

图4　4号汽轮机断裂螺栓的显微组织　400×  3%硝酸酒精溶液侵蚀

图5　未断螺栓的显微组织(回火贝氏体)　400×  3%硝酸酒精溶液侵蚀

2.5　冲击断口微观形貌观察分析

用日立S2450扫描电子显微镜对冲击断口进行观察，发现所有冲击断口的放射区绝大部分为准解理形貌，说明断裂为穿晶断裂，但在个别区域有沿晶断裂形貌或明显的沿晶裂纹，见图6。说明这些局部区域有晶界弱化现象，这与显微组织中局部区域有碳化物沿晶析出的结论是相吻合的。

              未断螺栓准解理形貌                            3号汽轮机螺栓沿晶断裂形貌

图6　冲击断口放射区的准解理形貌和沿晶断裂形貌

3　结论

(1)螺栓的断裂均属疲劳断裂，其疲劳源区均位于螺纹根部，螺纹根部应力集中是导致螺栓裂纹起源的外在因素。

(2)螺栓在高温长期运行过程中，材质中局部区域存在沿晶界析出的碳化物，正是这些沿晶析出的碳化物导致晶界强度降低，这是螺栓裂纹起源的内在因素。

综上所述，由于螺纹根部应力集中而导致此处已弱化的晶界开裂产生沿晶裂纹，即形成疲劳源。疲劳源在交变载荷的长期作用下逐步扩展即形成疲劳裂纹，当疲劳区逐步扩大致使所剩截面无法承受外在载荷时，即产生最终断裂。