20Cr_1Mo_1VNbB钢汽轮机螺栓断裂的SEM分析
汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析 张跃普
汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析张跃普摘要：在电厂众多设备当中，汽轮机可谓是尤为重要的一部分。
一旦汽轮机出现高压主汽门螺栓断裂或者是失效问题，将会引发不良事故，严重情况下将会对机组正常运转产生不良影响。
就当前电厂汽轮机高压主汽门螺栓发生断裂失效情况而言，原因在于主汽门螺栓基于加工制造期间，由于受到热处理工艺控制缺失的问题，进一步导致金相组织中有粗晶存在，进而在机组运行过程中，螺栓高应力的粗晶将会出现开裂而不断扩充，最终出现了主汽门螺栓断裂失效。
本文在阐述汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效试验的基础上，深入分析了现象产生的原因，以此为汽轮机高压主汽门螺栓质量的提升提供具有参考价值的建议。
关键词：汽轮机；高压主汽门；螺栓；断裂失效电厂机组在运行过程中，由于诸多原因的存在，频繁出现问题，高压主汽门的泄露可谓是尤为经常性出现的一个问题，对整个机组的正常运行具有极为不利的影响，严重的情况下会产生重大事故。
通常情况下，结合电厂所用的螺栓材质来看，主要具备的优势为：强度高、可塑性好，并且具备抗松弛性能好等优点，通常只适用于制造工作温度为570摄氏度以下的高温螺栓。
一旦处于高压情况下，将极易出现螺栓断裂失效情况，从而影响到了机组的正常运行。
鉴于此，本文对“汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效”进行深入分析具有极为重要的现实意义。
1.汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效试验分析汽轮机高压主汽门螺栓一旦出现了螺栓断裂失效，相关人员所采取的试验，主要有五个方面的内容，分别是宏观检验、光谱分析、力学性能检验、硬度试验以及金相检验[1]。
现对其加以具体分析，具体内容如下：1.1宏观检验如下图1，为断裂螺栓外观形貌示意图，其中的断裂部位是螺栓第1个螺纹的位置。
由此可知，螺栓断裂只是部分失效。
试验人员在作业过程中，对图2（螺栓断口断面）进行认真观察，显示A区主要分布于螺栓断面外圈部位，呈现的特点为断面粗糙，同时结晶颗粒明显，可谓是裂纹源部位。
与此同时，试验人员发现A区可以显示出沿晶断裂特征[2]。
20Cr1Mo1VTiB汽机主汽门螺栓断裂失效分析
ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｖ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ： ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ — ｍｅ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ， ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｅ — ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｌ ｔ ｓ ， ａ ｎ ｄ ｂ ｒ ｉ ｎ ｇ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｕ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：２ ０ Ｃｒ ｌ Ｍｏ ｌ ＶＴ ｉ Ｂ； ｂ ｏ ｌ ｔ ； ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ； ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ
ＤｏＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２ —ห้องสมุดไป่ตู้３ ６ ４ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ １ １
汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析
厂金属材料 焊接 和 金属 监督 方 面 的工作 （ ・ ｉ ｄｎｙ ＠ Ｅｍａ ：ｏｇｕ ｌ
ｈ ｔａｌｔｍ） ｏ ｉ ｏ 。 ｍ ．
粗 晶的存在极大降低 了螺栓 的韧性 ， 成为造成螺栓 断裂的裂纹源。由于螺栓工作 时， 螺纹根部第 １ 圈
螺 纹处 受力 最大 ， 因此 ， 螺栓 的第 １圈螺纹 与粗 晶 在 重 合 的部位 ， 最先 发 生沿 晶开 裂 ， 交变 载荷 作用 下 在 不 断扩 展 ， 最终导 致 螺 栓 开 裂 ， 成 紧 力 不 够 ， 造 门体
摘
要 ： 电厂汽 轮机 高压 主汽门螺栓发生断裂失效 ， 某 对材质 为 ２ Ｃ ｌ ｌ Ｎ ＴＢ的断裂螺 栓进行 了理化试验 和失效分 ０ ｒＭｏＶ ｂ ｉ
析。结果表明 ： 主汽门螺栓 在加工制造过程 中热处理工艺控制不 当， 导致金相组织存 在粗 晶 ， 机组运行过程 中， 螺栓高应
力 的粗晶区发生沿 晶开裂并不断扩展 ， 最终发生主汽门泄漏和螺 栓断裂失效 。给出 了防止 由于粗 晶问题 造成螺栓失 效
１０ ０ ％宏 观金相 检查 ， 免 由于金 相组 织不 合格 而 发 避
生 断裂 。
参 考文 献 ：
图 ４ 螺栓 细晶区金相组织 Ｘ ０ １０
［ ］ Ｉ ３ － ２ ０ ， １ ＤＭＴ４ ９ ０ ６ 火力发 电厂高温紧 固件技术导则 ［ ］ ｓ
（ 编辑 ： 芳 ） 刘
２ 原 因分 析
样 ， 其端 面进 行 宏 观 组 织检 验 ， 果 显示 ， 螺 杆 在 结 在 外 圈 约半 圈长 度范 围内存在 ０～ ５ ｍｍ深度 不 等 的 肉 眼可见 的粗 大 晶 粒 ， 照 Ｄ ／ ３－ ２０ 《 力 发 按 Ｌ Ｔ４９ ０６ 火
电厂动平衡连接管法兰螺栓断裂原因分析
总753期第十九期2021年7月河南科技Journal of Henan Science and Technology电厂动平衡连接管法兰螺栓断裂原因分析王昊（大唐中南电力试验研究院，河南郑州450000）摘要：某电厂20Cr1Mo1VNbTiB动平衡连接管法兰螺栓在运行时发生断裂，采用宏观检查、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、断口分析以及装配环境检查等方法对失效螺栓进行分析。
结果表明，失效螺栓的化学性能及力学性能均符合国家标准，断口裂纹为多源断裂，裂纹为沿晶裂纹，失效螺栓为过载断裂，引起螺栓失效的原因主要为螺栓预紧力过大，导致螺栓长期处于高应力状态，最终产生断裂。
关键词：螺栓；过载断裂；力学性能；金相检验中图分类号：TF762文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）19-0033-04 Fracture Analysis of Flange Bolt of Dynamic Balance Connecting Pipe inPower PlantWANG Hao（Datang Central South Electric Power Test Research Institute，Zhengzhou Henan450000）Abstract:The flange bolt of20Cr1Mo1VNbTiB dynamic balance connecting pipe in a power plant broke during oper⁃ation.The failed bolt was analyzed by means of macro inspection,chemical composition analysis,mechanical proper⁃ty test,metallographic inspection,fracture analysis and assembly environment inspection.The results show that the chemical and mechanical properties of the failed bolt conform to the the national standards,fracture cracks are multi-source cracks,the cracks are intergranular cracks,the failure bolt is overload fracture.The main reason for bolt fail⁃ure is that the bolt preload is too large,which leads to the bolt in a high stress state for a long time and finally fracture. Keywords:bolt；overload fracture；mechanical properties；metallographic examination高温紧固螺栓是火力发电厂重要的金属监督部件，主要起紧固、密封、连接的作用。
汽轮机高温螺栓的断裂特性分析
组运行安全。
一
．
实验材料
本实验 材料是 由通辽 发电总厂提供 的高压 调速汽 门螺
栓 ，其 规格为 Ｍ５ ４×２ ０ ６× ２ ，使用材 料为 ２ Ｃ ｌ ｌ ｉ ０ ｒＭｏ ＶＴ Ｂ 钢 ，运行时 间大约为 １ １６小 时，工作温度 为 ５ ５ ５２ ３ ℃左右 。 断裂位置在 螺纹第 一扣根 部的横截 面上 。热加工 工艺是始
锻温度 １ ５ ℃，终 锻温 度 ８ ０～ ９ ０Ｃ，锻 后砂 冷 ，退火 １０ ５ ０ ｏ
处 理 加 热 至 ９ ０～ ９ ０ ， 温 ４～ ６ 缓 冷 至 ６ ０ 出 炉 。 ３ ５Ｖ 保 ｈ， ｏ℃
图１高压调速汽ｆ ２Ｃ ｌ ｌ ＴＢ ］ Ｏ ｒＭｏ Ｖ ｉ螺栓宏观断 口
热处理 工艺是 １ ３ ０ ０～ １５ ￣油淬 加 ７ ０～ ７ ０ ６ ００ ０ ２ ℃ ｈ回火 ，
２ 断 口微观形貌观察 ． 用 Ｊ Ｍ－ ４ ０型号扫 描 电镜 观察断 裂螺栓 断 口，从断 Ｓ ６９ 口形貌 （ ２ 可 以看 出，断 口形 貌呈冰糖状 （ 图 ２ ｂ） 图 ） 见 － ，
并伴 有 河流状 花样 （ 图 ２ ｃ， 冰糖状 是沿 晶断 裂形貌 ， 见 －） 而河 流状花样 是解理 断裂断 口的微观基 本特征 ，这表 明该
能。防止运 行 中断裂 ，是保证机 组运行 安全 、防止恶性事
故 的重要环节。 随着我 国锅炉 、汽轮机机组 超临界 大容量 的发展 ，对
螺 栓钢提 出了更高 的要求。为保证 高温汽 缸和 阀门的法兰
不 漏汽 ，所采用 螺栓 经受 的工作状 态 的重要程度 并不亚于
其 他金 属部 件。¨研 究 其失 效原 因 ，以便 采取 有效 措施 ，
汽轮机检修中螺栓损坏原因分析及对策研究
汽轮机检修中螺栓损坏原因分析及对策研究发布时间：2022-11-29T12:01:47.102Z 来源：《科学与技术》2022年8月15期作者：张新强[导读] 螺栓是一种汽轮机结构当中十分重要的组成部分张新强大唐陕西发电有限公司灞桥热电厂陕西省西安市 710038摘要：螺栓是一种汽轮机结构当中十分重要的组成部分，在实际的工作开展中，往往会起到十分重要的作用。
因此，一旦在运行过程中，出现螺栓的损坏问题，就会导致直接影响到汽轮机组的实际运行。
因此，为了保障系统的稳定运行，就需要在进行汽轮机检修中，重视起检修的技术使用，全面提升汽轮机系统的运行性能。
在本文的分析中，主要阐述汽轮机检修当中的螺栓损害问题，并提出相应的检修处理途径，为相关领域的工作人员提供一定的技术参考。
关键词：汽轮机；螺栓损坏；螺帽咬死引言：在当下汽轮机出现了质量问题之后，就会直接导致汽轮机出现运行的故障问题，无法继续运行。
为了实现对这个问题的处理，就需要相关运维人员结合起实际的螺栓损坏的情况，采用针对性的处理方式，及时恢复螺栓的实际效能，保持汽轮机组的稳定运行。
1 研究背景汽轮机机组的运行过程中，螺栓结构是其中内部十分重要的组成部分。
当前进行汽轮机组的螺栓结构的设计中，基本上采用两种形式，分别为高温螺栓与高压螺栓这两种类型。
这两种螺栓的使用，要结合起实际的使用情况，以及在不同部位当中进行科学合理的调节，才可以保持汽轮机的稳定运行。
当前进行汽轮机的使用环节，由于运行情况较为复杂，经常会出现汽轮机的螺栓损坏问题，一旦出现这样的问题，在严重情况下会导致系统无法保持较强运行能力，以此就需要在进行处理的过程中，利用针对性的维修技术，及时的解决这样的质量问题，尽快的恢复汽轮机的运行性能，避免出现一定的质量问题[1]。
2 汽轮机螺栓检修流程对汽轮机内部的螺栓进行实际的检修工作开展中，为了进一步的保障实际检修工作开展的准确性，就需要积极的基于实际的检修工作流程，进行科学合理的分析以及处理。
汽车发动机螺栓断裂失效分析
汽车发动机螺栓断裂失效分析摘要：文章针对某汽车发动机螺栓的断裂失效进行了分析，通过理化检验，对螺栓断口宏观、金相、硬度、摩擦性能等方面进行了检测，并利用扫描电镜对断口进行了分析，得出汽车发动机螺栓断裂失效的原因，并对避免装配时螺栓断裂的发生提出了相关措施，可供预防螺栓断裂提供参考借鉴。
关键词：汽车发动机；螺栓；断裂0 引言随着我国社会经济的快速发展，汽车的使用量日益增加，人们对汽车的质量也提出了更高的要求。
在汽车发动机安装中，螺栓的安装质量直接关系到汽车发动机的正常、安全运行，并对汽车的整体质量具有重要的影响。
而在汽车发动机安装中，螺栓的断裂现象时有发生，严重影响到了汽车发动机的正常安全运行，并对人们的生命财产安全构成了威胁。
因此，对其断裂失效进行分析，探讨其预防措施十分必要。
本文结合某发动机螺栓断裂实例，进行了相关介绍，其断裂件如下图1所示。
图1 断裂螺栓图1 理化检验1.1 宏观断口分析断口宏观形貌可见圆锥型尖角，由于螺栓在拧紧过程中受到扭转力，杯锥轴线方向与主应力方向一致，锥面与主应力夹角为45°，断口表面呈鹅毛绒状。
螺栓大头端断口附近可见明显拉伸塑性变形，螺栓尾段断口可见明显杯状韧性断裂特征，同时在螺纹根部可见裂纹，分布范围在圆周20°区域内，如图2中箭头所示。
另外对螺栓1部分断口在体式显微镜下观察，也可见在螺纹根部有裂纹出现。
从宏观断口形貌来看，大头短和尾端螺栓断口可见明显塑性变形特征，未见脆性断裂特征。
图2 断口宏观照片1.2 螺栓摩擦性能试验螺栓摩擦系数要求0.1～0.16，选取同批次3件螺栓进行摩擦系数性能试验，结果分别为0.13、0.13及0.14，结果为合格。
经过大量的试验和实践经验的积累，在实际拧紧过程中受到摩擦系数等影响，仅仅5%～10%的扭矩转化为所需要的预紧力，有90%的扭矩被拧紧过程中的摩擦消耗掉。
当支承面的摩擦系数降低20%时，支承面摩擦扭矩降为40%，螺栓轴向夹紧力将翻倍增加（有20%的拧紧扭矩转化成夹紧力）。
20Cr1Mo1VNbTiB高温螺栓断裂失效分析
１ 试验及结果
断裂螺栓规格为 Ｍ１２０ｍｍ×４ｍｍ×１５３０ｍｍ， 断裂部位为距螺栓端部 ５７０ｍｍ螺杆处，工作温度在 ５１０℃左右，汽轮机累计运行时间约 １４００００ｈ。试验 借助金相显微镜、布氏硬度计、力学试验机、直读光 谱仪及扫描电子显微镜，对其断裂原因及机理进行 了分析。 １．１ 断口分析
图 １为断裂螺栓断口正面及侧面的宏观形貌。
温紧固件技术导则》可知，＃１，＃２试样晶粒度为 ３～ ４级，属于微观中等粗晶。 １．３ 力学性能试验 １．３．１ 硬度试验
采用 ＨＢ－３０００布氏硬度计（ＨＢＷ）分别对 ＃１， ＃２试样进行硬度试验。参照 ＤＬ／Ｔ４３９—２００６《火力 发 电 厂 高 温 紧 固 件 技 术 导 则》中 对 ２０Ｃｒ１Ｍｏ１ＶＮｂＴｉＢ高温螺栓硬度的规 定 可 知，远 离 断口的 ＃２试样及断口附近的 ＃１式样的多次布氏硬 度测量值均在正常范围内，见表 １。 １．３．２ 拉伸性能试验
沿纵向对螺栓螺杆部分取样，标记为 ＃３试样并
图 ２ 螺栓断口的 ＳＥＭ形貌 图 ３ 金相组织
第 １０期
吴红辉，等：２０Ｃｒ１Ｍｏ１ＶＮｂＴｉＢ高温螺栓断裂失效分析
·２９·
进行常温力学拉伸试验。参照 ＤＬ／Ｔ４３９—２００６《火
力 发 电 厂 高 温 紧 固 件 技 术 导 则》中 对
２０Ｃｒ１Ｍｏ１ＶＮｂＴｉＢ高温螺栓拉伸性能 的 规 定 可 知，
断裂螺栓常温 ＃１及 ＃２试样的布氏硬度
ＨＢＷ
试样
＃１ ＃２
布氏硬度值测量值
１
２
３
ＤＬ／Ｔ４３９—２００６ 平均值
标准要求
２７５ ２７２
２７７ ２７８
２７８ ２８２
２７７ ２７７
２５２～３０２
螺栓断裂断口分析
电机驱动
10
零件名称：焊接螺栓
材质： Q235
供应商： 无信息
2.初步实验结论：
对断口进行金相和扫描电镜观察，判断是一个应力腐蚀导致断裂的失效，是一个长期积累的过程。 金相观察发现，失效螺栓表面以及断口部分区域发生了较为严重的腐蚀。同时可以观察到断口面 裂纹由外部向内部扩展的现象，在应力（主要拉应力）和腐蚀的双重作用下，导致了焊接螺栓的 失效。
严重腐蚀痕迹，因此腐蚀已经长期存在于褐色区域。而白色区域对应的是断裂过程中新产生
的瞬断面。
2.断面可以发现很多裂纹，这是由于应力以及腐蚀对材料本身造成破坏形成的。属于典型的应
力腐蚀特征。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3
生产问题材料失效分析-焊装一车间螺栓断裂问题分析
4.检验结果：
4.1金相结果-侧面
侧面长期接触磨损
结果分析： 1.螺栓断裂侧面，发现有亮银色金属光泽，同时表面相对平整，判断此处处于长期的硬接触磨 损面。很有可能因为磨损导致此处原有的表防性能，力学性能下降，在此处发生腐蚀最容易 入侵螺栓内部，造成最终实效。 2.侧面可以观察到肉眼可见裂纹。
结果分析： 1.断口腐蚀区域的成分（左图）。主要的成分是的Fe的氧化物，即Fe的腐蚀产物。
2.断口瞬断区域的成分（右图）。主要成分为Fe，此处未发生氧化腐蚀。
7
生产问题材料失效分析-焊装一车间螺栓断裂问题分析
4.检验结果：
4.4表面腐蚀观察
2.断裂起源：由外向内的应力腐蚀
未腐蚀区域 X10倍
腐蚀区域 X10倍
生产问题材料失效分析-螺栓断裂问题分析
螺栓断裂分析
1
生产问题材料失效分析-螺栓断裂问题分析
1.问题描述：
20Cr1Mo1VTiB螺栓断裂原因分析及其检验
技术与市场 !"#$ 年第!% 卷第& 期
表 &'冲击试验结果
样品
冲击功 DU3! 1
检验结果
#号试样
(A"CA"%A"
不符合
$号试样
(&%!&,
符合
JHE.(&, -!""C
"&,
-
!"+4#\2#@.<R
'原因分析 !" +4# \2# @.<R钢为国产 高 温 螺 栓 用 钢! 具 有 良 好 的 综 合
'引言 !"#K 年 % 月!某电厂 ! 号机在检修过程中发现左'右侧中
压调汽门( 下称中调门) 存在不同数量的螺栓断裂情况!左侧中 调门断裂螺栓 & 条!其中 ! 条断口比较粗糙!# 条断口比较平 整!断裂螺栓沿中调门圆周随 机 分布,右侧中调门断裂 螺栓 # 条!断口比较粗糙$
该电厂 ! 号机组汽轮机是哈尔滨汽轮机厂生产的 +HB&%" -!(A! E%CC E%CC 型超临界!一次中间再热!单轴!双缸双排汽' 冷凝式汽轮机$ 每侧中调门上沿圆周分布有 &" 条螺栓!螺栓 材质 !"+4#\2#@.<R!螺栓规格 \&&$
样品
测量布氏硬度值 VRO
检验结果
#号试样
!%,'!%%'!%C
符合
$号试样
!%%'!C"'!%K
符合
JHE.(&, -!""C'!"+4#\2#@.<R
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20C r 1M o 1VN bB 钢汽轮机螺栓
断裂的SEM 分析
史利军 黄文涛 杜奇圣 王文青 刘素芬 许宏飞
(中国兵器工业总公司第五二研究所理化中心,包头014034)
某发电厂汽轮机汽缸结合处使用了近年来由我国自行研制的20C r 1M o 1VN bB 钢[1]做紧固螺栓材料。
该螺栓直径42mm ,采用“直筒种植”式,旋入汽缸下结合面的螺纹为18扣(80mm ),另一端为14扣(60mm ),在汽缸结合面之上与螺母配合。
设计使用寿命为20～30万小时,但运行了3万小时进行检修时,发现大部分螺栓已断开,断口表面严重锈蚀,其中断在第二、三扣的比例较大,还有个螺栓在拆卸时断裂。
由于该钢种螺栓实际运行一直良好,还未见有关其失效断裂的报导,因此有必要利用SE M 对这批螺栓断裂成因进行分析和推断。
SE M 观察 取一个已断螺栓断口样(1#)和拆卸时断裂样(2#)观察,1#断口表面基本上被氧化
膜覆盖(图1a ),在断口中央裂纹分叉区找到一些未被遮盖的沿晶特征,其晶粒较粗大(图1b ),视场放大后发现沿晶面均由小孔洞构成,呈“延性沿晶断裂”特征(图1c ),晶界棱边不太锐利,并能看见晶界上形成的“空洞珠”串(图1d ),依据这些形貌特征可判定该“延性沿晶”为洞型蠕变断口。
从2#断口边缘处找到了裂纹源区,这些“开放性”的沿晶区,晶粒较粗大(图2a ),有些晶粒已被氧化膜覆盖(图2b ),而未被覆盖的晶粒上也分布着细小孔洞,晶界棱边则圆弧过渡(图2d ),呈明显的“延性沿晶”特征(图2c ),也是洞型蠕变断裂。
分析推断 1#和2#断口上均找到了洞型蠕变断裂特征。
一般地金属材料在高于015T 熔点(绝对
温标)温度下,即使所受应力小于屈服强度,有时也会随时间增长而产生塑性变形,这种现象称为蠕变[2]。
该螺栓使用时是被隔热材料包住的,其工作温度与汽轮机内部大体相当,汽轮机蒸气参
数为570℃、100kg c m 2左右,可见存在着产生蠕变的温度条件;而产生蠕变的应力条件是否存
在则需进一步推断。
从断口附近截取常规力学性能样进行测定,并与厂标对比(表1),结果差别不大;硬度虽无厂标作比对,由于该钢是运行中有严重热脆倾向的25C r 2M o 1V 钢替代品,与25C r 2M o 1V 钢经验值相比,已属于经验值上限。
说明运行3万小时后螺栓的强度硬度和抗松弛能力依然保持较高的水平,这可能得益于钢中添加N b 、B 等在晶粒中起弥散强化作用的元素。
在高温螺栓设计与安装时,一方面要求材料强度和抗松弛性高,另一方面要求材料的缺口敏感性小[1],这是一对矛盾体:强度高时可相应加大初紧力,从而保证在一个大修期内螺栓的压紧应力不低于要求的最小密封应力;但材料强度的提高势必有损塑韧性,而塑韧性的降低会导致缺口敏感性增加,很容易在螺纹处产生应力集中,如果初紧力又很大,则会加重应力集中程度。
从力学角度分析直筒种植式螺栓其种植部分螺纹的第一扣到第三扣之间往往是应力最集中处,本批螺栓的断裂部位大都在第二、三扣,因此可重点考察应力集中问题。
从装配现场了解到一个较重要信息:这批螺检的安装并非采用机械自动初紧,而是靠人力推拉杠杆直到转不动为止。
前者往往会设置一个合适的初紧力矩,大于此值机械将不再加力;而后者的结果则会造成一个很大的装配拉应力和切应力,在螺纹前几扣处形成较大的应力集中,经过一段时间高温运行后,就会出现上述在SE M 中观察到的蠕变特征,并以此为裂纹源沿螺栓截面方向扩展直至断裂。
讨论 (1)利用SE M 可在20C r 1M o 1VN bB 钢汽轮机螺栓断口上找到典型的蠕变断口形貌特征,为进一步分析断裂成因确立方向;(2)该钢强度较高,抗松弛性较好,但缺口敏感性随之增大,这对矛盾体需要在实际运行中进行合理地把握;(3)靠人力杠杆紧固螺检直到转不动为止,往往会造成较大装配应力,加剧“种植式”螺栓前几扣处应力集中,在高温运行时易导致低寿命蠕变断裂。
参考文献
[1]吴非文.火力发电厂高温金属运行.北京:水利电力出版社,1979.2892299.
[2]林志明.断口学译文集.包头:兵器材料科学与工程编辑部,1981.90.
7
45电子显微学报 J.Ch in .E lectr .M icro sc .Soc .
19(4)∶547～548 2000年
表1 力学性能比对表
比对样
抗拉强度Ρb (M Pa )屈服强度Ρ
s (M Pa )延伸率∆(%)断面收缩率7(%)冲击值Αk (J c m 2)硬度HB 厂标值
833735156049※断样值837707325953269 ※硬度无厂标,25C r 2M o 1V 钢的经验值在240～270HB 范围内
图1 1aBar =200Λm ;1bBar =50Λm ;1c Bar =10Λm ;1dBar =5Λm ;
图2 2aBar =100Λm ;2bBar =20Λm ;2c Bar =30Λm ;2dBar =10Λm ;
845电子显微学报 J.Ch in .E lectr .M icro sc .Soc . 19(4)∶547～548 2000年。