《【2017年整理】600MW超超临界机组高旁阀门螺栓失效分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】600MW超超临界机组高旁阀门螺栓失效分析（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、600 MW 超超临界机组高旁阀门螺栓失效分析郑坊平，崔雄华，王弘喆，唐丽英，崔锦文西安热工研究院有限公司 西安 710032Failure Analysis for Bolt of High Pressure Bypass Valve of 600 MW Ultra Supercritical UnitZHENG Fang-ping, CUI Xiong-hua, WANG Hong-zhe, TANG Li-ying, CUI Jin-wenThermal Power Research Institute, Xian 710032, ChinaABSTRACT: By means of m
2、acrographic examination, alloy composition analysis, mechanical properties testing，metallographic examination, fracture analysis and EDS analysis, the failure reason for bolt of high pressure bypass valve of 600 MW ultra supercritical unit was analyzed. The results showed that the failure was stress
3、 corrosion cracking, which was mainly related to the bad solution condition of bolt raw, high hardness and work hardening of threads. Some preventive measures for the bolt failure were brought forward.KEY WORD: bolt of valve; stress corrosion; solution treatment; work hardening摘要：通过宏观检验、合金成分分析、力学性能检
4、验、金相检验、断口分析及能谱分析等方法，对某厂 600 MW 超超临界机组的高压旁路阀门螺栓失效原因进行了分析。结果表明：螺栓失效为应力腐蚀开裂，与螺栓原材料固溶处理状态较差、硬度过高及螺纹加工硬化有关。并针对螺栓失效原因提出了预防措施。关键词：阀门螺栓；应力腐蚀；固溶处理；加工硬化1 前言某电厂 600 MW 超超临界机组运行不到 1年，其高压旁路阀门的共 12 根阀盖螺栓中有 2根发生断裂、4 根发生开裂。高旁阀体材料为A182 F92，阀盖螺栓规格为 M30170 mm，材料为 B446-Gr1，与国产 Ni 基高温合金 GH3625钢的化学成分要求基本一致。为查找阀盖螺栓失效原因，笔者
5、对 1 根开裂螺栓(1 号) 及 1 根断裂螺栓(2 号) 进行了试验分析。2 试验分析2.1 宏观检验2 根失效的阀盖螺栓如图 1 所示，其中 1 号螺栓开裂于短螺纹侧从光杆数起的第一齿螺纹，2 号螺栓断裂于长螺纹侧的中部螺纹处。图 1 2 根失效螺栓的外观形貌1 号螺栓的裂纹及裂纹打开后的断口如图 2所示，裂纹在扩展过程中存在分叉、转折特征，断口存在较大的起伏；2 号螺栓的断口宏观形貌如图 3 所示，断口芯部发蓝，断口终断区约占断口总面积的 30%；2 根失效螺栓的开裂均起始于螺纹底部且沿 45方向斜向起裂，断口宏观形貌呈现较明显的脆性开裂特征。(a) 外壁裂纹分叉(b) 内部裂纹发展特征
6、(c) 裂纹打开后的断口图 2 1 号螺栓局部宏观形貌图 3 2 号螺栓断口宏观形貌2.2 合金成分分析采用 NITON xlt898 型直读式光谱仪对 2 根螺栓进行合金成分分析，分析结果见表 1。可见螺栓的合金成分与 ASTM B446-20031对 B446-Gr1 钢的化学成分要求相符。表 1 螺栓材料的合金成分分析结果(质量分数%)条件及样品编号 C Al Si Ti Cr Fe Ni Nb Mo光谱分析 1 号 / / / / 21.74 / 63.84 / 9.36光谱分析 2 号 / / / / 20.82 / 64.28 / 9.59标准值 0.100.400.500.402
7、0.023.05.058.03.154.158.010.02.3 力学性能检验在失效螺栓上加工纵向拉伸试样(6mm 的圆棒) 和纵向冲击试样(U 型缺口 )。拉伸试验依据 GB/T 228-20022在 MTS 880 型电液伺服材料试验机上进行；冲击试验依据 GB/T 229-20073在 JBC-300 型电子测力冲击试验机上进行；依据 GB/T 231-20094在 HB-3000 型台式硬度计上对冲击试样进行布氏硬度试验，结果见表 2。可见试样的拉伸性能符合标准要求；试样的冲击吸收能量为 83.1104.6 J，符合工程经验值要求；试样的布氏硬度值明显高于国内标准要求的上限值，这与试样
8、的屈服强度、抗拉强度较大幅度的高于标准要求的下限值相对应。表 2 螺栓的力学性能试验结果螺栓编号及条件 Rm /MPa Rp0.2 /MPa A /% Z /% KU2 /J 硬度 /HB1号 1370 940 37.5 52.0 83.1 341、38387.5 331、3452号 1280 875 36.5 54.0104.6 309、325ASTM B446-2003B446-Gr1120 ksi (829)60 ksi (415) 30 / / /Z9-0105-19905GH3625 830 410 30 / / 290在 1 号螺栓上加工纵向试样，依据 GB/T 4340.1-19
9、996对螺纹及其附近母材进行维氏硬度试验，测点位置如图 4 所示，结果见表 3。可见螺纹部位维氏硬度较母材明显偏高，最大差值达 183HV，维氏硬度从外壁螺纹到内部母材基体逐步下降，这表明螺纹部位存在明显的加工硬化现象。1234567图 4 维氏硬度试验位置表 3 螺栓维氏硬度试验结果测点编号 1 2 3 4 5 6 7硬度值 /HV 525 489 466 417 397 545 580另外，采用 HT-1000A 型便携式硬度计对其它 4 根失效螺栓及 12 根新到的备品 B446-Gr1螺栓进行现场硬度检测，失效螺栓硬度值均在315 HBHLD 以上，超出相关标准的上限要求(290 HB
10、)；备品螺栓硬度值在 236255 HBHLD，符合相关标准要求。2.4 金相检验在 1 号螺栓上加工含裂纹的纵向金相试样、在 2 号螺栓紧邻断口下部加工横截面金相试样，依据 GB 13298-19917、GB 13299-19918在OLYMPUS GX71 型光学显微镜下进行显微组织观察，结果如图 5、图 6 所示。可见 2 个样品基体显微组织均为孪晶 相，晶粒度细于 7 级，晶界上存在较多球状碳化物，局部位置已成链状，其中 2 号较 1 号明显；1 号样裂纹在发展过程中存在分叉、转折，呈树枝状发展，主裂纹和分支裂纹均为沿晶扩展；1 号螺栓在螺纹底部存在明显的加工流变形态。(a) 裂纹抛光
11、态形貌(b) 裂纹金相形貌(c) 螺纹底部开裂形貌(d) 螺纹底部加工流变形态图 5 1 号螺栓显微组织(a) 400(b) 800图 6 2 号螺栓显微组织2.5 断口分析在 Quanta 400 HV 型扫描电子显微镜下对 1号螺栓裂纹打开后的断口和 2 号螺栓断口的源区、扩展区进行微观形貌观察，照片分别如图7、图 8 所示。可见 2 个螺栓断口大部分区域均呈现沿晶断裂特征；2 号螺栓断口上存在沿晶的二次裂纹且在扩展区存在典型的表征应力腐蚀特征的泥纹状形貌 9。(a) 裂纹源区(b) 裂纹扩展区图 7 1 号螺栓裂纹断口微观形貌(a) 裂纹源区(b) 裂纹扩展区(c) 扩展区的泥纹花样 图
12、 8 2 号螺栓断口微观形貌2.6 能谱分析采用 Fei Quanta 400HV 型扫描电子显微镜和 EDAX 能谱仪对 1 号螺栓的裂纹断口、2 号螺栓断口进行微区成分半定量分析，分析部位如图 9、图 10 所示，结果见表 5、表 6。可见 1号螺栓的开裂面上存在约 13 wt%的氧元素，氧化较明显；2 号螺栓断口除存在氧元素外，局部位置还存在 S、Cl 元素。表 4 1 号螺栓裂纹断口能谱分析结果（质量分数%）位置 C O Al Si Ti Cr Fe Ni Nb Mo图 9 0.07 13.15 / 0.21 0.28 18.02 0.88 51.14 2.9 13.36图 9 1 号
13、螺栓裂纹断口能谱分析位置表 5 2 号螺栓断口能谱分析结果（质量分数）位置 C O Al Si P S Cl Ca图 10(a) 0.15 30.02 0.25 1.22 0.50 1.14 0.42 0.15图 10(b) 0.11 15.92 0.13 0.35 / / / /图 10(c) 0.16 19.45 0.22 0.36 0.24 / / /位置 Ti Cr Mn Fe Ni Zn Nb Mo图 10(a) 0.18 0.50 0.30 62.72 0.74 1.71 / /图 10(b) 0.16 18.93 / 0.71 53.43 / 2.91 7.34图 10(c) 0
14、.66 17.47 / 1.62 49.02 / 3.30 7.50(a)(b) (c)图 10 2 号螺栓断口能谱分析位置 3 分析与讨论螺栓材料 ASTM B446-Gr1 与国产 Ni 基高温合金 GH3625 为近似钢种，两者化学成分基本一致。GH3625 是以钼、铌为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，从低温到 980均具有良好的拉伸性能和抗疲劳性能，并且耐盐雾气氛下的应力腐蚀，因此，可广泛用于制造航空发动机零部件、宇航结构部件和化工设备。GH3625棒材热处理制度：9501030 ，空冷或水冷；或 10901200，空冷或水冷固溶处理。螺栓的布氏
15、硬度值明显高于国内标准对近似合金钢布氏硬度要求的上限值，这与样品的屈服强度、抗拉强度较大的高于标准要求的下限值相对应；螺纹部位维氏硬度较母材明显偏高，且维氏硬度值从外壁螺纹到内部母材基体逐渐下降，这表明螺纹部位存在明显的加工硬化现象。螺栓的高强度与高硬度是由螺栓固溶处理不充分导致的。螺栓基体显微组织为孪晶 相，晶界上存在较多球状碳化物，局部位置已成链状，这进一步表明螺栓的固溶处理不充分，未能溶解基体内的碳化物，这会导致晶界弱化；1 号螺栓裂纹在扩展过程中存在分叉、转折，呈树枝状发展，主裂纹和分支裂纹均为沿晶扩展；两根失效螺栓的开裂均起始于螺纹底部且沿 45方向斜向起裂，这与螺纹底部的应力集中有
16、关。2 个螺栓断口均呈现沿晶断裂特征，2 号螺栓断口上存在较多的沿晶二次裂纹且在扩展区存在典型的表征应力腐蚀特征的泥纹状形貌；1号螺栓的开裂面上存在约 13 wt%的氧元素，氧化较明显；2 号螺栓断口除存在氧元素外，还存在 S 和 Cl 元素。综上所述，螺栓失效为典型的应力腐蚀开裂，这与螺栓原材料固溶处理状态较差、硬度过高及螺纹加工硬化有关，晶界上存在大量球状碳化物，这会导致晶界弱化，在一定的应力和介质腐蚀的共同作用下，发生沿晶的应力腐蚀开裂。4 结论及建议高压旁路阀门的阀盖螺栓失效为应力腐蚀开裂，其失效与螺栓原材料固溶处理状态较差、硬度过高及螺纹加工硬化有关。为了防止该类事故的发生，应加强备品螺栓的材质检验，使用硬度合格的螺栓；采用力矩扳手严格控制好螺栓的预紧力；在安装和拆卸过程中注意不要污染螺栓以避免腐蚀性元素沉积在螺栓表面。参考文献1 ASTM B446-2003
