20cr1mo1vib螺栓断裂失效分析

20cr1mo1vib螺栓断裂失效分析

0断口及螺栓分布2017年5月，该电厂2号机在维修过程中发现，左右两侧的中压汽门（以下简称中调门）存在数十颗螺钉。左中门有三条误差，其中两条是厚的，第一条是平的。误差螺钉沿中门旋转呈随机分布。右侧中门误差螺钉右侧。该电厂2号机组汽轮机是哈尔滨汽轮机厂生产的CLN350-24.2/566/566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30条螺栓,螺栓材质20Cr1Mo1VTiB,螺栓规格M33。2号机组于2014年7月底投产,至本次停机检修累计运行近12500h。1试样断口形貌实验室选取左侧中调门断裂螺栓中的2条(1条断口比较粗糙,1条断口比较平整)进行试验,其中断口粗糙样标记为(1)号试样,断口平整样标记为(2)号试样,试样断口形貌如图1所示。螺栓断口垂直于螺栓轴径,断裂发生在靠近螺母支撑面的第1、2圈螺纹处,见图1。(1)号试样断口粗糙,断口呈颗粒状,为脆性断裂特征;(2)号试样断口表面裂纹扩展区可见明显的扩展贝纹线,为典型的疲劳断裂特征。2光谱试验使用XL3t980合金分析仪对(1)、(2)号试样进行光谱分析,光谱分析结果见表1,由表1知,光谱检验结果符合标准。3硬度检验使用320HBS-3000数显布氏硬度计在螺栓横截面上分别对(1)、(2)号试样进行硬度检验,每个试样测量3个值,测量结果见表2,由表2知,(1)号试样与(2)号试样布氏硬度值基本接近,且均满足标准要求,但其硬度值已接近标准下限值。4金相组织及断口分析(1)、(2)号试样经打磨、抛光、腐蚀后,在ZLD500-5JT金相显微镜下观察其金相组织,金相组织如图2~图5,(1)号试样金相组织为回火贝氏体,晶粒粗大,晶粒级别为2级,见图2,远低于DL/T439-2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》中规定的晶粒度大于5级的标准;(1)号试样断口处存在二次裂纹,其裂纹走向为沿晶断裂,这表明(1)号试样断裂呈沿晶断裂特征,见图3。(2)号试样在100倍与500倍下的金相组织,其晶粒度级别为7级,金相组织为回火贝氏体,金相组织正常,见图4与图5。5试样冲击韧性测试使用MCJ-12/6型冲击试验机分别对(1)、(2)号样品进行冲击功测量,试样开口为U型缺口,每个样品加工3个试样,测量结果见表3,由表3知,(1)号试样冲击功平均值仅为5J,冲击功数值极低;(2)号试样冲击功平均值为45J,且3个测量值均大于等于标准下限值,(2)号试样冲击功满足标准。6试样断口分析20Cr1Mo1VTiB钢为国产高温螺栓用钢,具有良好的综合力学性能。但该钢种对热处理比较敏感,如热加工或热处理控制不当,螺栓材料易出现宏观粗晶或者微观粗晶。(1)号试样呈脆性断裂特征,组织晶粒粗大,冲击功远低于标准要求,即(1)号试样螺栓在较低的冲击力下就能发生断裂;(2)号试样断口可见明显贝纹线,为疲劳断裂特征,结合左侧中调门断裂的3条螺栓中,2条螺栓断口粗糙,1条螺栓断口平整,即(2)号试样螺栓断裂是由于左侧中调门上2条螺栓首先发生脆性断裂,从而引起中调门圆周部分区域螺栓受交变应力作用,从而在交变应力作用下产生疲劳断裂。由于螺栓和螺母的变形不同,在螺栓安装拧紧时,螺栓承载旋合螺纹上的载荷分布是很不均匀的。在弹性范围内,靠近螺母支撑面的第一圈,螺纹的载荷最大,据相关资料介绍,集中在第1圈螺纹上的应力相当于承受全部载荷的50%左右。而其余旋合螺纹的分担载荷按序减少,因此,螺栓的断裂绝大多数发生在靠近螺母支撑面的前几道螺纹处,这与本文失效螺栓的断口与裂纹位于第1~2道螺纹之间的信息相吻合(1)号试样螺栓服役温度为569℃,服役时间仅12500h,其组织变化和性能劣化与服役条件无关,应与螺栓制造过程中的热加工或热处理工艺不当有关,如锻造加热温度过高或冷却速度过快等。7金相检验和超声检验根据以上分析,得出螺栓断裂原因为:1)(1)号试样螺栓由于在制造过程中热加工或热处理工艺不当导致晶粒粗大,冲击功很低,从而使得螺栓脆性很大,在较低载荷下发生脆性断裂。2)(2)号试样螺栓断裂是由于左侧中调门其余螺栓发生脆性断裂后引起(2)号试样螺栓受交变应力作用,从而产生疲劳断裂。建议:对公司中调门同批次其余螺栓全部进行金相检验或超声检验,一旦发现存在晶粒粗大螺栓全部予以更换。粗晶螺栓检验方法:1)金相检验:螺栓端部打磨、抛光、腐蚀,观察腐蚀后宏观形貌(低倍组织)。2)超声检验:采用超声波纵波检测技术对螺栓进行检测。首先选择合适的超声波探伤仪和直探头,设置恰当的参数(如声速为5900m/s,探头延时为0.3us,增益为42.8dB等)。超声波检验利用一次底波、二次底波、三次底波检验,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无任何显示,衰减严重;细晶螺栓的端面一次、二次和三次反射底波均有较高的幅值。可以看出,超声波在