20cr1mo1vib螺栓斷裂失效分析

20cr1mo1vib螺栓斷裂失效分析

0斷口及螺栓分布2017年5月，該電廠2號(hào)機(jī)在維修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，左右兩側(cè)的中壓汽門（以下簡(jiǎn)稱中調(diào)門）存在數(shù)十顆螺釘。左中門有三條誤差，其中兩條是厚的，第一條是平的。誤差螺釘沿中門旋轉(zhuǎn)呈隨機(jī)分布。右側(cè)中門誤差螺釘右側(cè)。該電廠2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CLN350-24.2/566/566型超臨界,一次中間再熱,單軸,雙缸雙排汽、冷凝式汽輪機(jī)。每側(cè)中調(diào)門上沿圓周分布有30條螺栓,螺栓材質(zhì)20Cr1Mo1VTiB,螺栓規(guī)格M33。2號(hào)機(jī)組于2014年7月底投產(chǎn),至本次停機(jī)檢修累計(jì)運(yùn)行近12500h。1試樣斷口形貌實(shí)驗(yàn)室選取左側(cè)中調(diào)門斷裂螺栓中的2條(1條斷口比較粗糙,1條斷口比較平整)進(jìn)行試驗(yàn),其中斷口粗糙樣標(biāo)記為(1)號(hào)試樣,斷口平整樣標(biāo)記為(2)號(hào)試樣,試樣斷口形貌如圖1所示。螺栓斷口垂直于螺栓軸徑,斷裂發(fā)生在靠近螺母支撐面的第1、2圈螺紋處,見(jiàn)圖1。(1)號(hào)試樣斷口粗糙,斷口呈顆粒狀,為脆性斷裂特征;(2)號(hào)試樣斷口表面裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯的擴(kuò)展貝紋線,為典型的疲勞斷裂特征。2光譜試驗(yàn)使用XL3t980合金分析儀對(duì)(1)、(2)號(hào)試樣進(jìn)行光譜分析,光譜分析結(jié)果見(jiàn)表1,由表1知,光譜檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。3硬度檢驗(yàn)使用320HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)在螺栓橫截面上分別對(duì)(1)、(2)號(hào)試樣進(jìn)行硬度檢驗(yàn),每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)值,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2,由表2知,(1)號(hào)試樣與(2)號(hào)試樣布氏硬度值基本接近,且均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但其硬度值已接近標(biāo)準(zhǔn)下限值。4金相組織及斷口分析(1)、(2)號(hào)試樣經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后,在ZLD500-5JT金相顯微鏡下觀察其金相組織,金相組織如圖2~圖5,(1)號(hào)試樣金相組織為回火貝氏體,晶粒粗大,晶粒級(jí)別為2級(jí),見(jiàn)圖2,遠(yuǎn)低于DL/T439-2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定的晶粒度大于5級(jí)的標(biāo)準(zhǔn);(1)號(hào)試樣斷口處存在二次裂紋,其裂紋走向?yàn)檠鼐嗔?這表明(1)號(hào)試樣斷裂呈沿晶斷裂特征,見(jiàn)圖3。(2)號(hào)試樣在100倍與500倍下的金相組織,其晶粒度級(jí)別為7級(jí),金相組織為回火貝氏體,金相組織正常,見(jiàn)圖4與圖5。5試樣沖擊韌性測(cè)試使用MCJ-12/6型沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)(1)、(2)號(hào)樣品進(jìn)行沖擊功測(cè)量,試樣開(kāi)口為U型缺口,每個(gè)樣品加工3個(gè)試樣,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3,由表3知,(1)號(hào)試樣沖擊功平均值僅為5J,沖擊功數(shù)值極低;(2)號(hào)試樣沖擊功平均值為45J,且3個(gè)測(cè)量值均大于等于標(biāo)準(zhǔn)下限值,(2)號(hào)試樣沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)。6試樣斷口分析20Cr1Mo1VTiB鋼為國(guó)產(chǎn)高溫螺栓用鋼,具有良好的綜合力學(xué)性能。但該鋼種對(duì)熱處理比較敏感,如熱加工或熱處理控制不當(dāng),螺栓材料易出現(xiàn)宏觀粗晶或者微觀粗晶。(1)號(hào)試樣呈脆性斷裂特征,組織晶粒粗大,沖擊功遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求,即(1)號(hào)試樣螺栓在較低的沖擊力下就能發(fā)生斷裂;(2)號(hào)試樣斷口可見(jiàn)明顯貝紋線,為疲勞斷裂特征,結(jié)合左側(cè)中調(diào)門斷裂的3條螺栓中,2條螺栓斷口粗糙,1條螺栓斷口平整,即(2)號(hào)試樣螺栓斷裂是由于左側(cè)中調(diào)門上2條螺栓首先發(fā)生脆性斷裂,從而引起中調(diào)門圓周部分區(qū)域螺栓受交變應(yīng)力作用,從而在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。由于螺栓和螺母的變形不同,在螺栓安裝擰緊時(shí),螺栓承載旋合螺紋上的載荷分布是很不均勻的。在彈性范圍內(nèi),靠近螺母支撐面的第一圈,螺紋的載荷最大,據(jù)相關(guān)資料介紹,集中在第1圈螺紋上的應(yīng)力相當(dāng)于承受全部載荷的50%左右。而其余旋合螺紋的分擔(dān)載荷按序減少,因此,螺栓的斷裂絕大多數(shù)發(fā)生在靠近螺母支撐面的前幾道螺紋處,這與本文失效螺栓的斷口與裂紋位于第1~2道螺紋之間的信息相吻合(1)號(hào)試樣螺栓服役溫度為569℃,服役時(shí)間僅12500h,其組織變化和性能劣化與服役條件無(wú)關(guān),應(yīng)與螺栓制造過(guò)程中的熱加工或熱處理工藝不當(dāng)有關(guān),如鍛造加熱溫度過(guò)高或冷卻速度過(guò)快等。7金相檢驗(yàn)和超聲檢驗(yàn)根據(jù)以上分析,得出螺栓斷裂原因?yàn)?1)(1)號(hào)試樣螺栓由于在制造過(guò)程中熱加工或熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致晶粒粗大,沖擊功很低,從而使得螺栓脆性很大,在較低載荷下發(fā)生脆性斷裂。2)(2)號(hào)試樣螺栓斷裂是由于左側(cè)中調(diào)門其余螺栓發(fā)生脆性斷裂后引起(2)號(hào)試樣螺栓受交變應(yīng)力作用,從而產(chǎn)生疲勞斷裂。建議:對(duì)公司中調(diào)門同批次其余螺栓全部進(jìn)行金相檢驗(yàn)或超聲檢驗(yàn),一旦發(fā)現(xiàn)存在晶粒粗大螺栓全部予以更換。粗晶螺栓檢驗(yàn)方法:1)金相檢驗(yàn):螺栓端部打磨、拋光、腐蝕,觀察腐蝕后宏觀形貌(低倍組織)。2)超聲檢驗(yàn):采用超聲波縱波檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)。首先選擇合適的超聲波探傷儀和直探頭,設(shè)置恰當(dāng)?shù)膮?shù)(如聲速為5900m/s,探頭延時(shí)為0.3us,增益為42.8dB等)。超聲波檢驗(yàn)利用一次底波、二次底波、三次底波檢驗(yàn),粗晶螺栓的端面一次反射底波高度只有屏幕高度的20%,二次底波和三次底波無(wú)任何顯示,衰減嚴(yán)重;細(xì)晶螺栓的端面一次、二次和三次反射底波均有較高的幅值?？梢钥闯?超聲波在