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汽轮机 高温紧固件蠕变脆性断裂案例

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  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。某公司 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。高温紧 固件断裂失效值得借鉴排查。


  1事件经过及处理


  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%。于是电 厂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,电厂对备用的#2机组进 行同类问题排查,发现同 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,是裂纹 发展到一定程度后发生的断裂。


  理化分析结果:①螺栓化 学成分分析发现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,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,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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