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號機在維修過程中發(fā)現(xiàn)，左右兩側的中壓汽門（以下簡稱中調(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呈隨機分布。右側中門誤差螺釘右側。該電廠2號機組汽輪機是哈爾濱汽輪機廠生產(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。每側中調(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號機組于2014年7月底投產(chǎn),至本次停機檢修累計運行近12500h。1試樣斷口形貌實驗室選取左側中調(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)進行試驗,其中斷口粗糙樣標記為(1)號試樣,斷口平整樣標記為(2)號試樣,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,見圖1。(1)號試樣斷口粗糙,斷口呈顆粒狀,為脆性斷裂特征;(2)號試樣斷口表面裂紋擴展區(qū)可見明顯的擴展貝紋線,為典型的疲勞斷裂特征。2光譜試驗使用XL3t980合金分析儀對(1)、(2)號試樣進行光譜分析,光譜分析結果見表1,由表1知,光譜檢驗結果符合標準。3硬度檢驗使用320HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計在螺栓橫截面上分別對(1)、(2)號試樣進行硬度檢驗,每個試樣測量3個值,測量結果見表2,由表2知,(1)號試樣與(2)號試樣布氏硬度值基本接近,且均滿足標準要求,但其硬度值已接近標準下限值。4金相組織及斷口分析(1)、(2)號試樣經(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)號試樣金相組織為回火貝氏體,晶粒粗大,晶粒級別為2級,見圖2,遠低于DL/T439-2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》中規(guī)定的晶粒度大于5級的標準;(1)號試樣斷口處存在二次裂紋,其裂紋走向為沿晶斷裂,這表明(1)號試樣斷裂呈沿晶斷裂特征,見圖3。(2)號試樣在100倍與500倍下的金相組織,其晶粒度級別為7級,金相組織為回火貝氏體,金相組織正常,見圖4與圖5。5試樣沖擊韌性測試使用MCJ-12/6型沖擊試驗機分別對(1)、(2)號樣品進行沖擊功測量,試樣開口為U型缺口,每個樣品加工3個試樣,測量結果見表3,由表3知,(1)號試樣沖擊功平均值僅為5J,沖擊功數(shù)值極低;(2)號試樣沖擊功平均值為45J,且3個測量值均大于等于標準下限值,(2)號試樣沖擊功滿足標準。6試樣斷口分析20Cr1Mo1VTiB鋼為國產(chǎn)高溫螺栓用鋼,具有良好的綜合力學性能。但該鋼種對熱處理比較敏感,如熱加工或熱處理控制不當,螺栓材料易出現(xiàn)宏觀粗晶或者微觀粗晶。(1)號試樣呈脆性斷裂特征,組織晶粒粗大,沖擊功遠低于標準要求,即(1)號試樣螺栓在較低的沖擊力下就能發(fā)生斷裂;(2)號試樣斷口可見明顯貝紋線,為疲勞斷裂特征,結合左側中調(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)號試樣螺栓斷裂是由于左側中調(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)域螺栓受交變應力作用,從而在交變應力作用下產(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,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)相關資料介紹,集中在第1圈螺紋上的應力相當于承受全部載荷的50%左右。而其余旋合螺紋的分擔載荷按序減少,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)號試樣螺栓服役溫度為569℃,服役時間僅12500h,其組織變化和性能劣化與服役條件無關,應與螺栓制造過程中的熱加工或熱處理工藝不當有關,如鍛造加熱溫度過高或冷卻速度過快等。7金相檢驗和超聲檢驗根據(jù)以上分析,得出螺栓斷裂原因為:1)(1)號試樣螺栓由于在制造過程中熱加工或熱處理工藝不當導致晶粒粗大,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)號試樣螺栓斷裂是由于左側中調(diào)門其余螺栓發(fā)生脆性斷裂后引起(2)號試樣螺栓受交變應力作用,從而產(chǎn)生疲勞斷裂。建議:對公司中調(diào)門同批次其余螺栓全部進行金相檢驗或超聲檢驗,一旦發(fā)現(xiàn)存在晶粒粗大螺栓全部予以更換。粗晶螺栓檢驗方法:1)金相檢驗: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:采用超聲波縱波檢測技術對螺栓進行檢測。首先選擇合適的超聲波探傷儀和直探頭,設置恰當?shù)膮?shù)(如聲速為5900m/s,探頭延時為0.3us,增益為42.8dB等)。超聲波檢驗利用一次底波、二次底波、三次底波檢驗,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任何顯示,衰減嚴重;細晶螺栓的端面一次、二次和三次反射底波均有較高的幅值?？梢钥闯?超聲波在