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浙江國(guó)檢檢測(cè)

首頁(yè) 檢測(cè)百科

分享:主汽門(mén)閥蓋螺栓斷裂失效分析

2021-09-06 13:24:09 

邱康勇,張 杰,吳繼權(quán)

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院,深圳 518029)

摘 要:某電廠在停爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)一主汽門(mén)閥蓋螺栓斷裂失效,采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、硬度試驗(yàn)、金相分析、斷口以及能譜分析等方法對(duì)螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:螺栓斷裂的主要原因?yàn)槁菟@微組織粗大且不均勻,在長(zhǎng)期高溫和應(yīng)力作用下,局部位置的晶界發(fā)生蠕變產(chǎn)生蠕變孔洞;然后在腐蝕介質(zhì)的作用下,裂紋從晶界蠕變孔洞處萌生并沿晶界擴(kuò)展,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

關(guān)鍵詞:螺栓;斷裂;蠕變;腐蝕;沿晶脆性斷裂;失效分析

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001G4012(2018)04G0304G04

FailureAnalysisonFratureofaMainSteamValveCoverBolt

QIUKangyong,ZHANGJie,WUJiquan

(ShenzhenInstituteofSpecialEquipmentInspectionandTest,Shenzhen528029,China)

Abstract:Themainsteamvalvecoverboltinapowerplantwasfoundfracturedwhentheboilerwasshutdownformaintenance.Meanssuchasmacroanalysis,chemicalcompositionanalysis,hardnesstest,metallographicanalysis,fractureandenergyspectrumanalysiswereusedtoanalyzethecausesfortheboltfracture.Theresultsshowthatthemainreasonfortheboltfracturewasthatthemicrostructureoftheboltwascoarseanduneven.Under

theactionoflongGterm hightemperatureandstress,creephappenedandcreepcavitiesappearedatlocalgrainboundary.Thenundertheactionofthecorrosivemedium,cracksgeneratedfromthegrainboundarycreepcavitiesandexpandedalongthegrainboundary,whicheventuallyresultedintheoneGtimeintergranularbrittlefracture.

Keywords:bolt;fracture;creep;corrosion;intergranularbrittlefracture;failureanalysis

高溫螺栓是火力發(fā)電廠廣泛使用的緊固件之一,在役機(jī)組 的 高 溫 螺 栓 出 現(xiàn) 失 效 現(xiàn) 象 在 火 電 廠事故中較為普遍[1].某電廠在2016年12月停爐檢修時(shí) 發(fā) 現(xiàn) 其 中 一 根 主 汽 門(mén) 閥 蓋 螺 栓 斷 裂 成 兩截,如圖1 所 示.失 效 的 主 汽 門(mén) 閥 蓋 螺 栓 標(biāo) 稱(chēng) 材料為20Cr1Mo1VTiB鋼,規(guī)格為 M56mm,且為雙頭螺栓.該螺栓所在機(jī)組于2005年投入使用,截止到發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂時(shí)已累計(jì)運(yùn)行40000h,期間共有過(guò) 4 次 拆 裝,機(jī) 組 工 作 期 間 最 高 運(yùn) 行 溫 度 為530 ℃,每天運(yùn)行時(shí)間為10h.為查明失效原因,避免類(lèi)似失 效 的 再 發(fā) 生,筆 者 對(duì) 該 斷 裂 螺 栓 進(jìn) 行了檢驗(yàn)和分析.

主汽閥門(mén)螺栓安裝位置


1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖2為斷裂主汽門(mén)閥蓋螺栓的整體宏觀形貌,可見(jiàn)斷裂發(fā)生在雙頭螺栓一頭的最后一條螺紋處,該處為螺栓應(yīng)力集中較大的區(qū)域.圖3為螺栓斷口宏觀形貌,可見(jiàn)斷口比較粗糙,且較為平坦,呈顆粒狀,斷口上未觀察到放射區(qū)和纖維區(qū),斷口整體比較灰暗,呈脆性斷裂特征[2].

斷裂螺栓宏觀形貌

1.2 化學(xué)分析

在斷裂主 汽 門(mén) 閥 蓋 螺 栓 上 截 取 光 譜 試 樣,經(jīng)清洗、干燥、打 磨 后,采 用 臺(tái) 式 直 讀 光 譜 儀 進(jìn) 行 化學(xué)成分 分 析,結(jié) 果 見(jiàn) 表 1. 可 見(jiàn) 斷 裂 螺 栓 的 化學(xué)成分符合DL/T439-2006«火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo) 則»對(duì) 20Cr1Mo1VTiB 鋼 成 分 的 技 術(shù)要求.

表1 螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 螺栓硬度試驗(yàn)結(jié)果



螺栓斷口宏觀形貌


1.3 硬度試驗(yàn)

在主汽門(mén)閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣,打磨、拋光后進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2.可見(jiàn)斷裂螺栓的布氏硬度亦符合 DL/T439-2006 對(duì)20Cr1Mo1VTiB鋼的技術(shù)要求.


1.4 金相分析

在主汽門(mén)閥蓋螺栓斷口附近截取橫截面試樣,鑲嵌、打磨、拋光后用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕,光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察試樣顯微組織形貌見(jiàn)圖4.顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,但組織分布不均勻,部分晶粒較為粗大,且晶界處存在細(xì)小的蠕變孔洞[3G4].將金相試樣置于掃描電鏡(SEM)內(nèi)進(jìn)行觀察,同樣可見(jiàn)晶界處存在少量細(xì)小的蠕變孔洞,見(jiàn)圖5.

1.5 斷口掃描電鏡及能譜分析

將主汽門(mén)閥蓋螺栓斷口切取下來(lái),經(jīng)無(wú)水酒精清洗干凈、干燥后,置于掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察.可見(jiàn)螺栓表 面 有 大 量 的 覆 蓋 物,覆 蓋 物 形 貌 及 能 譜(EDS)分析結(jié)果見(jiàn)圖6,由此可推斷出該覆蓋物為鐵的氧化產(chǎn)物.

圖4 螺栓橫截面顯微組織 OM 形貌

將斷口進(jìn)一步并且干燥后,置于掃描電鏡內(nèi)再次進(jìn)行觀察,斷口形貌見(jiàn)圖7.可見(jiàn)斷口主要呈冰糖狀沿晶斷裂形貌,斷口上可見(jiàn)二次裂紋與孔洞,斷口局部放大可見(jiàn)解理臺(tái)階,呈典型的脆性斷裂形貌特征[5].




圖5 螺栓橫截面顯微組織SEM 形貌



圖6 斷口表面覆蓋物SEM 形貌及 EDS分析結(jié)果

圖6 斷口表面覆蓋物SEM 形貌及 EDS分析結(jié)果

Fig.6 Thea SEM morphologyandb EDSanalysisresultsof

coveringsonthefracturesurface


呈冰糖狀沿晶斷裂形貌,斷口上可見(jiàn)二次裂紋與孔洞,斷口局部放大可見(jiàn)解理臺(tái)階,呈典型的脆性斷裂形貌特征[5].



2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,斷裂主汽門(mén)閥蓋螺栓的化學(xué)成分和硬度均滿(mǎn)足 DL/T439-2006 對(duì)20Cr1Mo1VTiB鋼的技術(shù)要求.

由金相分析結(jié)果可知,主汽門(mén)閥蓋螺栓顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,組織分布不均勻,部分晶粒較為粗大,同時(shí)晶界處存在蠕變特征.蠕變的產(chǎn)生主要與溫度及應(yīng)力有關(guān),螺栓的使用溫度為530 ℃,該 溫 度 未 超 過(guò) 材 料 的 最 高 許 用 溫 度(570 ℃),但也是在高溫下服役.螺栓服役過(guò)程中的應(yīng)力來(lái)自以下4個(gè)方面:第一,當(dāng)機(jī)組平穩(wěn)工作時(shí),在530 ℃溫度下,螺栓同時(shí)承受一定的熱應(yīng)力,但當(dāng)機(jī)組處于啟動(dòng)和結(jié)束兩個(gè)階段時(shí),螺栓承受的則是交變熱應(yīng)力;第二,結(jié)合螺栓的裝載位置及螺栓一頭套在螺帽內(nèi)的特點(diǎn)可以看出,該螺栓承受一定的剪切應(yīng)力;第三,螺栓在服役過(guò)程中,存在機(jī)械交變循環(huán)應(yīng)力的作用,機(jī)械交變循環(huán)應(yīng)力主要來(lái)源于鍋爐停爐、啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷波動(dòng);第四,由于螺栓斷裂位置位于最后一條螺紋處,此處本身就為應(yīng)力集中位置.

由斷口分析結(jié)果可知,斷口受到較嚴(yán)重的腐蝕作用;斷口主要呈沿晶冰糖狀,同時(shí)可見(jiàn)二次裂紋與孔洞,孔洞的形成與腐蝕及蠕變有關(guān).因此可以判斷該主汽門(mén)閥蓋螺栓發(fā)生的是沿晶脆性斷裂.綜合以上分析,由于螺栓顯微組織晶粒較粗大且組織分布不均,螺栓長(zhǎng)期承受530℃高溫,在一定應(yīng)力作用下局部位置的晶界發(fā)生蠕變,晶界處的蠕變孔洞成為裂紋源,然后在腐蝕介質(zhì)的作用下,裂紋在晶界處萌生并沿晶界擴(kuò)展,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

3 結(jié)論及建議

該主汽門(mén)閥蓋螺栓斷裂為一次性沿晶脆性斷裂;造成其斷裂的原因是螺栓顯微組織粗大且分布不均勻,在長(zhǎng)期的高溫和應(yīng)力作用下,局部位置的晶界發(fā)生蠕變產(chǎn)生蠕變孔洞,然后在腐蝕介質(zhì)的作用下晶界蠕變孔洞處萌生裂紋并沿晶界擴(kuò)展,最終造成螺栓一次性沿晶脆性斷裂.




圖7

建議加強(qiáng)對(duì)螺栓使用前的抽查檢驗(yàn);檢修過(guò)程中應(yīng)對(duì)螺栓進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),必要時(shí)可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)成分、硬度、金相等項(xiàng)目的檢驗(yàn);加強(qiáng)對(duì)鍋爐水質(zhì)溶解氧以及pH 值等指標(biāo)的監(jiān)測(cè).


(文章來(lái)源:材料與測(cè)試網(wǎng)-理化驗(yàn)-物理冊(cè)>2018年>4期> pp.304)

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