600MW超超临界机组高旁阀门螺栓失效分析

600MW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710032FailureAnalysisforBoltofHighPressureBypassValveof600MWUltraSupercriticalUnitZHENGFang-ping,CUIXiong-hua,WANGHong-zhe,TANGLi-ying,CUIJin-wenThermalPowerResearchInstitute,Xi’an710032,ChinaABSTRACT:Bymeansofmacrographicexamination,alloycompositionanalysis,mechanicalpropertiestesting，metallographicexamination,fractureanalysisandEDSanalysis,thefailurereasonforboltofhighpressurebypassvalveof600MWultrasupercriticalunitwasanalyzed.Theresultsshowedthatthefailurewasstresscorrosioncracking,whichwasmainlyrelatedtothebadsolutionconditionofboltraw,highhardnessandworkhardeningofthreads.Somepreventivemeasuresfortheboltfailurewerebroughtforward..KEYWORD:boltofvalve;stresscorrosion;solutiontreatment;workhardening摘要：通过宏观检验、合金成分分析、力学性能检验、金相检验、断口分析及能谱分析等方法，对某厂600MW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600MW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A182F92，阀盖螺栓规格为M30×170mm，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12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(c)裂纹打开后的断口图21号螺栓局部宏观形貌图32号螺栓断口宏观形貌2.2合金成分分析采用NITONxlt898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ASTMB446-2003[1]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CAlSiTiCrFeNiNbMo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≤0.10≤0.40≤0.50≤0.4020.0~23.0≤5.0≥58.03.15~4.158.0~10.02.3力学性能检验在失效螺栓上加工纵向拉伸试样(Ф6mm的圆棒)和纵向冲击试样(U型缺口)。拉伸试验依据GB/T228-2002[2]在MTS880型电液伺服材料试验机上进行；冲击试验依据GB/T229-2007[3]在JBC-300型电子测力冲击试验机上进行；依据GB/T231-2009[4]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83.1~104.6J，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/MPaRp0.2/MPaA/%Z/%KU2/J硬度/HB1号137094037.552.083.1341、3832号128087536.554.087.5331、345104.6309、325ASTMB446-2003B446-Gr1≥120ksi(829)≥60ksi(415)≥30///Z9-0105-1990[5]GH3625≥830≥410≥30//≤290在1号螺栓上加工纵向试样，依据GB/T4340.1-1999[6]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1234567硬度值/HV525489466417397545580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315HBHLD以上，超出相关标准的上限要求(290HB)；备品螺栓硬度值在236～255HBHLD，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GB13298-1991[7]、GB13299-1991[8]在OLYMPUSGX71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γ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51号螺栓显微组织(a)400×(b)800×图62号螺栓显微组织2.5断口分析在Quanta400HV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71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82号螺栓断口微观形貌2.6能谱分析采用FeiQuanta400HV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13wt%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41号螺栓裂纹断口能谱分析结果（质量分数%）位置COAlSiTiCrFeNiNbMo图90.0713.15/0.210.2818.020.8851.142.913.36图91号螺栓裂纹断口能谱分析位置表52号螺栓断口能谱分析结果（质量分数）位置COAlSiPSClCa图10(a)0.1530.020.251.220.501.140.420.15图10(b)0.1115.920.130.35////图10(c)0.1619.450.220.360.24///位置TiCrMnFeNiZnNbMo图10(a)0.180.500.3062.720.741.71//图10(b)0.1618.93/0.7153.43/2.917.34图10(c)0.6617.47/1.6249.02/3.307.50(a)(b)(c)图102号螺栓断口能谱分析位置3分析与讨论螺栓材料ASTMB446-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：950~1030℃，空冷或水冷；或1090~1200℃，空冷或水冷固溶处理。螺栓的布氏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γ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13wt%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]ASTMB446-2003StandardSpecificationforNickel-Chromium-Molybdenum-ColumbiumAlloy(UNSN06625),Nickel-Chromium-Molybdenum-SiliconAlloy(UNSN06219),andNickel-Chromium-Molybdenum-TungstenAlloy(UNSN06650)RodandBar[S].[2]GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法[S].[3]GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法[S].[4]GB/T231-2009金属布氏硬度试验[S].[5]Z9-0105-1990GH625合金棒材技术条件[S].[6]GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验第一部分：试验方法[S].[7]GB13298-1991金属显微组织检验方法[S].[8]GB13299-1991钢的显微组织评定方法[S].[9]崔约贤，王长利.金属断口分析[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998：169-174.作者简介：郑坊平(1980—)，男，硕士，工程师，从事火电厂金属部件失效分析与寿命评估方面的研究