摘 要:某火力發(fā)電廠汽輪機用20Cr1Mo1VNbTiB鋼高溫雙頭螺柱發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、 化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析、力學(xué)性能測試等方法對螺柱斷裂的原因進行分析。 結(jié)果表明:螺柱的第一扣螺牙根部存在粗晶區(qū),組織由回火貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相位的貝氏體,材 料塑性、韌性下降,脆性增加,在高溫應(yīng)力和交變載荷的作用下,粗晶粒區(qū)發(fā)生沿晶開裂并不斷擴 展,最終導(dǎo)致螺柱發(fā)生脆性斷裂。建議嚴格控制冶煉工藝和熱處理工藝,規(guī)范螺柱安裝、拆卸程序, 采用無損檢測、硬度測試等方法對螺柱進行出廠檢驗,以保證其使用性能。 

關(guān)鍵詞:20Cr1Mo1VNbTiB鋼;高溫雙頭螺柱;脆性斷裂;粗晶區(qū) 

中圖分類號:TB31;TG142.7                        文獻標志碼:B                        文章編號:1001-4012(2023)07-0039-04

20Cr1Mo1VNbTiB鋼是一種貝氏體高溫?zé)釓? 鋼,其中含有的 Cr、Mo、V 等元素具有彌散強化和 固溶強化作用,Nb、Ti、B等元素具有細晶強化作 用,從而使材料具有較高的持久強度、持久塑性,優(yōu) 異的抗松弛性能,較低的熱脆傾向和缺口敏感性[1], 廣泛應(yīng)用于超高壓機組的高溫緊固件中[2]。多種合 金元素的復(fù)合強化導(dǎo)致材料對熱處理極為敏感,調(diào) 質(zhì)熱處理工藝不當、長期高溫服役均可能使材料發(fā) 生粗晶現(xiàn)象,以及組織劣化、力學(xué)性能下降,進而發(fā) 生脆性斷裂[3]。近年來,汽輪機螺柱斷裂造成的機 組非計劃停機事故時有發(fā)生,給電廠運行帶來較大 的安全隱患和經(jīng)濟損失[4]。 

某電廠機組在檢修期間,汽輪機高壓內(nèi)缸進氣 側(cè)的緊固雙頭螺柱發(fā)生斷裂。該汽輪機的工作溫度 約為537℃,工作壓力約為16.7MPa,汽輪機高壓 內(nèi)缸共有24根帶中心孔的高溫雙頭螺柱,其材料為 20Cr1Mo1VNbTiB鋼,服役時長約為7×104h。斷裂螺柱位于高壓內(nèi)缸進氣側(cè)接合面,斷裂位置為內(nèi)、 外螺紋旋合的第一扣螺牙根部,距離螺紋側(cè)端面約 為160mm。筆者對該斷裂螺柱進行一系列理化檢 驗,查明了其斷裂原因,并提出了改進建議,以避免 該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

圖1為斷裂螺柱的宏觀形貌。由圖1可知:螺 柱斷面平齊,與軸向基本垂直,中間工藝孔處和外圓 一側(cè)可見剪切唇,未見明顯塑性變形;斷口表面較粗糙,呈顆粒狀,可見人字形條紋形貌;斷口處可見裂紋 源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū),人字形條紋收斂于裂紋 源區(qū),工藝孔及外側(cè)剪切唇弧形法向方向為裂紋擴展 方向,外側(cè)剪切唇處為瞬斷區(qū),斷口呈脆性斷裂特征。 

1.2 化學(xué)成分分析 

在螺柱斷口截面處取樣,根據(jù) GB/T4336— 2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火 花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對試樣進行化學(xué) 成分分析,結(jié)果如表1所示,可見斷裂螺柱的化學(xué)成 分滿足DL/T439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件 技術(shù)導(dǎo)則》的要求。

1.3 金相檢驗

螺柱斷口的低倍組織形貌如圖2所示,可見裂 紋源區(qū)(位置1)近外圓弧區(qū)域存在粗晶區(qū),粗晶區(qū) 弧長約為1/3周長,寬度約為10mm,近中心孔處 為裂紋擴展區(qū)(位置2),外圓側(cè)為瞬斷區(qū)(位置3)。

對位置1~3進行金相檢驗,結(jié)果如圖3~5所 示,由圖3~5可知:裂紋源區(qū)的顯微組織為馬氏體相 位的貝氏體,奧氏體基體上有棒狀碳化物析出,斷面 附近存在組織偏析現(xiàn)象,晶粒度等級為3級;裂紋擴 展區(qū)的顯微組織為回火索氏體+塊狀鐵素體,可見黑 色帶狀組織和少量碳化物析出,晶粒度等級為4級, 中心孔附近未發(fā)現(xiàn)過燒組織,排除因中心孔燒傷導(dǎo)致 螺柱斷裂的情況;瞬斷區(qū)的顯微組織為粒狀貝氏體, 晶粒均勻分布,無明顯粗晶,晶粒度等級為7級,屬于 正常范圍。鋼材的持久塑性與晶粒尺寸有關(guān),粗晶材 料的持久塑性低,易出現(xiàn)脆性斷裂[5]。

1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析 

采用掃描電鏡對斷口進行觀察,結(jié)果如圖6所 示。由圖6可知:斷口表面存在殘留氧化物;裂紋源 區(qū)和擴展區(qū)存在明顯的近河流花樣和短而彎曲的撕 裂棱,斷口可見較多的二次沿晶裂紋,無明顯韌窩形 貌,呈準解理斷裂形貌;瞬斷區(qū)可見韌窩形貌,可能 是裂紋擴展后產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中,從而造成韌性斷裂[6]。

采用能譜儀對斷口表面的殘留氧化物進行分 析,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:殘留物主要含有 Fe、O、Cr等元素及少量 Mo、V、O、Si等元素,呈無 水蒸汽中鹽類沉積特征,可判斷該斷口形成的時間 較長,并非停機拆解所致。

1.5 力學(xué)性能測試 

在斷口截面制取縱向棒狀試樣及縱向沖擊試 樣,然后對試樣進行力學(xué)性能測試。依據(jù) GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸試驗方法》,在萬能拉力試驗機上進行拉伸試驗。根據(jù) GB/T229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,在金屬材料擺 錘沖擊試驗機上進行沖擊試驗;根據(jù)GB/T231.1— 2018《金屬材料 布氏硬度試驗方法》,在全自動布 氏硬度計上進行布氏硬度測試,力學(xué)性能測試結(jié)果 如表2所示。由表2可知:試樣的屈服強度、抗拉強 度和斷后伸長率均符合 DL/T439—2018的要求; 試樣的斷面收縮率為42%~44%,低于標準要求;試 樣的沖擊吸收能量為7.4~8.4J,遠低于標準要求;試 樣的布氏硬度為255~304HB,超出標準要求。

2 綜合分析 

由宏觀觀察結(jié)果可知:斷口位于螺帽和螺桿過 渡區(qū)的第一扣螺牙根部,斷面平齊,與軸向基本垂 直,未見明顯塑性變形;斷口可見人字形條紋形貌, 根據(jù)紋理走向可明顯區(qū)分出裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū) 和瞬斷區(qū)。裂紋源區(qū)可觀察到明顯粗晶現(xiàn)象,裂紋 擴展區(qū)和瞬斷區(qū)可見弧形剪切唇,呈典型的脆性斷 裂特征。螺柱的螺紋部位相當于缺口,在尖銳的螺 紋缺口位置易形成應(yīng)力集中,使得螺紋根部承受極 大的應(yīng)力作用[7],且裂紋源區(qū)存在粗晶組織,降低了 螺柱的韌性[8],在高溫和高應(yīng)力的作用下,螺柱螺紋 根部的粗晶區(qū)形成了微裂紋,并發(fā)生沿晶開裂。

由金相檢驗結(jié)果可知:螺柱裂紋源區(qū)組織為馬 氏體相位的貝氏體,存在組織偏析現(xiàn)象,晶粒度等級 為3級,斷口呈準解理斷裂形貌;裂紋擴展區(qū)組織為 回火索氏體+塊狀鐵素體,晶界出現(xiàn)碳化物聚集現(xiàn) 象,晶粒度等級為4級。材料的晶粒度和顯微組織 劣化,導(dǎo)致材料的力學(xué)性能發(fā)生變化,斷裂螺柱的沖 擊吸收能量、斷面收縮率、布氏硬度等均不滿足標準 要求,材料呈現(xiàn)出明顯的脆硬性。在長期高溫、高壓 環(huán)境中運行時,螺柱粗晶區(qū)發(fā)生裂變,脆性增加,形成初始沿晶裂紋,在熱應(yīng)力和緊固應(yīng)力的綜合作用 下,初始微裂紋擴展,并生成二次沿晶裂紋,最終導(dǎo) 致螺柱脆性斷裂。20Cr1Mo1VNbTiB鋼高溫雙頭 螺柱調(diào)質(zhì)工藝為:淬火(1020~1040℃)+高溫回 火(720~740℃),調(diào)質(zhì)后的顯微組織為回火貝氏 體。材料對調(diào)質(zhì)熱處理工藝的要求極高,當淬火溫 度、回火溫度、回火時間等參數(shù)控制不當時,極易產(chǎn) 生粗晶區(qū),發(fā)生組織偏析,形成裂紋源,在較高的交 變應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下,材料組織劣化,脆性和硬性 增大,裂紋不斷擴展,最終發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié)論及建議 

3.1 結(jié)論 

20Cr1Mo1VNbTiB鋼螺柱第一扣螺牙根部存 在粗大晶粒區(qū),在高溫、高壓環(huán)境下,材料的晶粒度 和組織劣化,出現(xiàn)混晶現(xiàn)象,晶界碳化物聚集,導(dǎo)致 材料的力學(xué)性能下降,脆性增加,最終導(dǎo)致螺紋根部 發(fā)生脆性斷裂。

3.2 建議 

(1)嚴格控制材料的熱處理工藝,保證調(diào)質(zhì)后 的組織細化均勻。采用較低的鍛造加熱溫度、嚴格控制終鍛溫度、保證足夠的鍛造比,防止材料出現(xiàn)粗 晶區(qū),并提高螺柱內(nèi)孔和表面加工精度,避免產(chǎn)生加 工缺陷。 

(2)強化螺柱的入廠檢驗,新螺紋表面應(yīng)光滑, 不應(yīng)有裂紋、缺口、凹坑等缺陷;對螺柱材料進行無 損檢測和硬度測試,有條件的可進行晶粒度級別評 定和力學(xué)性能測試。 

(3)在安裝、拆卸過程中,螺柱應(yīng)選擇合適的預(yù) 緊工藝和熱緊工藝。檢修過程中,對螺柱進行無損 檢測和硬度測試,按照DL/T438—2016《火力發(fā)電 廠技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對其進行抽檢,必要時進行解剖 試驗。 

參考文獻: 

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:39-42)>