汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析

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　　0　引　言

　　抚顺发电有限责任公司1号机组自1996年10月投产至2008年8月A检,累计运行约69894 h,高压主汽门螺栓规格为M56×4×270,材质为20Cr1Mo1VTiB,工作温度535℃,压力为12·7 MPa,检修时发现断裂3根,开裂5根。本文通过对断裂螺栓的结构、紧固工艺、受力、化学成分、力学性能、金相组织、断口进行了分析,研究了螺栓的断裂起因及其断裂机制,并提出相应预防措施[1~3]。

　　1　螺栓基本情况

　　本台汽轮机共有两个高压主汽阀,布置在高压汽缸的两侧,主汽门可以改变蒸汽流量以调节汽轮机负荷。2008年8月1号机组大修,北侧主汽门检修现场见图1,在采用电加热棒卸载时,发现图中箭头所指位置螺栓发生断裂,并且螺栓与螺母相互咬死见图2,这由于长期在高温下运行,在螺纹挤压表面形成坚硬的氧化皮,氧化皮填满螺纹间隙就会咬死。螺栓主断面发生在主汽门门盖与门壳结合处,即为螺栓固定端第一丝扣螺纹上,该处也是螺栓应力集中最大部位。主汽门螺栓结构见图3螺栓内部有22 mm的通孔,螺栓两端无倒角,螺纹根部1, 2处过渡圆角为R15,但过度圆角上有螺纹加工退刀痕迹,仍存在较大应力集中, 3处均无过渡圆角。该规格螺栓热处理工艺为1 030~1 050℃油淬, 700~720℃6 h回火。

　　2　紧固工艺

　　主汽门螺栓的紧固包括冷紧和热紧。冷紧的作用不单是去除毛刺和消除结合面及螺纹间隙,还为热紧提供一个确定的紧固起点。冷紧质量的好坏直接影响到热紧的可靠性主汽门。本批次螺栓冷紧采用加长扳手推紧法,冷紧力矩1 000N·M。在实际装配中,推紧法产生的预紧力与操作者体重、力量大小等相关,使得预紧应力难以确定,偏差最大可达40%,按照Schlottner-Seeley蠕变损伤模型,紧力如果增加40%,其所产生的蠕变损伤要增加165%左右。考虑一个大修期内(取20 000 h),上述紧力产生的蠕变寿命损耗[4]见表1。

　　热紧采用热紧转角法。在采用电阻丝加热器时,经检验该法施加的应力符合要求。

　　3　试验分析

　　3·1　化学成分

　　在断后螺栓上切取试样块进行化学成分分析,依照国标GB/T 4336-2002,采用火花源发射光谱法测定,其检测结果见表2。

　　由表2可以看出, 1号试样B含量低于标准成分要求, 1号2号Ti含量偏于标准要求下限。而微量B在晶界上阻抑铁素体晶核的形成,能提高钢的淬透性。Ti是提高钢的抗氧化性和热强性。B含量偏低与Ti含量偏于下限将影响钢的持久强度和抗蠕变性能。

　　3·2　力学性能

　　力学性能试验方法依照标准GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》, GB/T 229《金属夏比缺口冲击试验方法》, GB/T 231《金属布氏硬度试验方法》进行,结果见表3。