1、.157第10 期电厂主汽门用紧固螺栓断裂原因分析孙振西（山东省安泰化工压力容器检验中心有限公司济南2 5 0 0 0 0）摘要】某电厂主汽门用X18CrMoVNbN11-1紧固螺栓在生产厂热紧安装投用15 个月后发生断裂，对断裂螺栓通过宏观观察、扫描电镜分析、能谱分析、金相分析、以及维氏硬度检测，对断裂的原因进行了分析。结果表明：由于螺栓在生产过程中热处理工艺不当造成晶粒粗大，塑性、韧性降低，机组频繁启停温度变化造成热应力集中，并且螺栓内表面机加工粗糙萌生裂纹，在静载荷的作用下逐步扩展最终导致螺栓断裂失效。【关键词】紧固螺栓；塑性低；热处理；应力集中前言：某发电厂汽机主汽门用紧固螺栓发生断裂
2、。断裂螺栓材质为X18CrMoVNbN11-1，成分与X19CrMoVNbN11-1和2 Cr12MoVNbN近似，规格为M64350mm，采用渗氮和退火处理。螺栓是在生产厂已热紧安装，并随主汽门到厂组装。就位15 个月后值班人员发现螺栓断裂掉落，期间机组未运行。本文通过对断裂的螺栓进行宏观、微观断口分析，金相分析，化学成分分析，冲击试验和显微硬度试验，较为详细的了解了断裂螺栓的各方面性能并对断裂的原因进行了分析。1试验1.1宏观分析失效螺栓由螺栓帽与紧固面交界处断裂，断裂面距外部螺纹边缘9.5 cm，螺栓外表面可见氧化色和锈迹，如图1所示。螺栓断口整齐，无明显塑性变形，断面可见明显放射状条纹
3、及断裂台阶，整体呈现脆性断裂特征 1-3 ，断面条纹汇集处位于中心孔边缘，颜色较暗，基本可确定为裂源。螺栓断口外边缘可见随基体断裂的表面渗氮层，如图2 所示。螺栓中心孔内壁如图3 所示，未见明显腐蚀及损伤，渗氮层薄厚不均且机加工粗糙。56789101234568930元图1断裂螺栓宏观形貌作者简介：孙振西，（198 7-）男，硕士，工程师，主要研究方向：承压设备定期检验及金属构件失效分析。158-2023年第2 6 卷密封安全石油和化工设备图2 螺栓断面宏观形貌图3 螺栓中心孔壁宏观形貌1.2化学成分检测：使用SPECTROTEST定量光谱仪，对断裂螺栓进行化学成分检测，数据表明，断裂螺栓中除
4、Cr含量略高于其质保书标准值，其他元素成分均在其要求范围内。结果如下：表1化学成分检测结果（质量分数）元素CSiMnPSCrMoVNiNbN试样0.190.120.550.0220.00111.270.590.140.330.250.071质保书要0.17一0.3010.0-0.50一0.10一0.20一0.25一0.05一0.500.0250.015求值0.230.8011.00.800.300.500.550.081.3微观分析将切取的断口用无水乙醇经超声波清洗后，采用扫描电镜(SEM)对始断位置和终断位置断口进行微观形貌观察，如图4所示，断口以沿晶断裂为主，属于脆性断裂，且未发现明显腐蚀
5、产物及疲劳裂纹扩展条纹。20umEHT=20.00kVSignalA=SE1Date:6Aug2020ZEISSWD=6.90mmMeg500 xTime:17:16:52图4螺栓断口SEM形貌159第10 期孙振西电厂主汽月紧固螺栓断裂原因分析1.4金相检测10um(a)100m(b)图5 断裂螺栓金相组织100um图6 断裂螺栓抛光后照片利用金相显微镜对断裂螺栓基体进行显微组织检测，结果如图5 所示。可以看出断口附近螺栓基体组织为马氏体位向的回火索氏体，对螺栓中心孔边缘短时轻微侵蚀，可见中心孔边缘与基体之间存在夹杂、大量细小孔洞等缺陷，如图6 所示。1.5维氏硬度检测：首先对螺栓试样横截面
6、进行布氏硬度检测，布氏硬度检测HBW值为491-5 2 2，远高于其产品要求值（HBW270-320）上限。为进一步精确探究其螺栓硬度的分布规律，使用QnessQ30M维氏硬度计对螺栓截面心部至外部进行硬度检测，HV1值为490-5 3 0，参考GB/T33362-2016金属材料硬度值的换算表B.2中对应HBW值为48 2-5 2 0，高于其要求值上限，分布如图7 所示。HV0.1.40X螺栓截面维氏硬度实测值550450HBW上限350HV1实测250135 79111315171921232527293133353739螺栓沿径向由内向外硬度测点图7 螺栓截面沿径向由内向外硬度分布1.6
7、冲击性能检测使用JB-300B冲击试验机，依据GB/T229-2007金属夏比缺口冲击试验方法对轴向取样试样进行冲击试验，试样进行冲击功为18、2 0、2 1J，平均值为19.6 J，田略低于其质保书要求值直（2 0 J)2分析及结论：经宏观检验，起裂区位于螺栓中心孔边缘，快速断裂区有明显的放射状条纹，呈现脆性断裂特征；经微观检验，基体组织为马氏体位向的回火索氏体及夹杂物，螺栓内孔边缘渗氮层存在夹收稿日期：2 0 2 3-0 5-18 修回日期：2 0 2 3-0 9-0 9-1602023年第2 6 卷密封安全石油和化工设备杂物、孔洞、不完整等缺陷（由于螺栓在渗氮处理等加工过程中有可能侵入氢
8、，不能排除氢元素导致材质恶化的可能）；试样冲击韧性略低于要求值下限，而试样硬度值远高于要求值上限，其韧性较低，未能达到较好的强韧度配合，较大程度的增大了螺栓的脆断倾向。X18CrMoVNbN11-1是2 Cr13的变形钢种，组分中的Nb、V 和C极易结合生成稳定的Nb4C3和V4C3碳化物，在加热到Ac3以上温度时，对奥氏体晶粒长大有很大的阻碍作用，因此临界点Ac3比2 Cr13高，一般淬火温度在110 0-117 0。另外，碳化物形成元素可使C曲线右移，奥氏体分解速度减慢，因此淬火冷却一般会采用冷却速率相对较慢的空气冷却，而后直接7 3 0 高温回火。硬度过高是由于螺栓热处理过程中淬火冷却速
9、度过快未能达到正常的调质状态4，是螺栓的断裂的主要原因。该螺栓的断裂，可能是由于螺栓在生产过程中热处理工艺不当，造成螺栓硬度过高，同时韧性降低，对裂纹、氢脆、应力腐蚀等缺陷敏感度增加，较大程度增大了脆断倾向和延迟断裂的可能 5-7 。当螺栓表面或基体存在缺陷时，在载荷的作用下极易发生脆断。硬度（强度）过高应为螺栓断裂的主要原因。3建议：1、对同批所有螺栓进行硬度、超声等相关检测，更换硬度超标及缺陷螺栓；2、生产及安装过程中严格执行工艺标准；3、合理设计螺栓热处理工艺；4、避免机组频繁启停及温度变化；5、提高螺栓表面，特别是螺纹和内孔加工精度，避免机械加工缺陷。参考文献1贺锡鹏,张磊,马红,等.
10、汽轮机组中压内缸螺栓断裂原因分析 .理化检验(物理分册),2 0 11,47(7):45 4-45 8.2段辉建.2 0 Cr1Mo1VTiB螺栓断裂原因分析 J.华北电力技术,2 0 0 2,(12):2 7-2 8.3杨晓,陈政龙,潘恒沛,等.40 Cr钢紧固螺栓断裂原因分析 理化检验(物理分册),2 0 16,5 2(12):90 3-90 5.4唐尔祺,闫新生.2 Cr12MoVNbN钢阀杆的热处理 J.机械工人,1999,(1):2 8.5岳增武,胡新芳,刘青,王焕贞,琦,秦献珍.锅炉钢架用高强度螺栓的延迟断裂 J.热力发电,2 0 0 7(0 9):8 8-91.6惠卫军,董瀚,翁
11、宇庆.高强度钢耐延迟断裂性能的评价方法 .理化检验(物理分册),2 0 0 1(0 6):2 3 1-2 3 5.7GB-T1221-2007耐热钢棒化工园区绿色低碳转型势在必行，第三是要全方位践行绿色低碳。先正达昆山工厂作为先正达中国首家“零碳工厂”，在致力打造“零碳工厂”中，始终将“绿色”贯穿于经营全流程，比如叉车油改电、改用绿色包装物、规划建光伏等。该厂2 0 2 2 年产值增长17%，而单位产值能耗和二氧化碳排放强度却降低11.3%。第四要重视推广使用绿色低碳成熟技术。比较成功的案例，如高盐废水绿色处理工艺可节能6 3%，“地热+风光、储能、制冷、供热”一体化在化工园区和化企运用至少可降本增效40%；碳捕集资源化利用、具有变革性低能耗高效能新技术和新材料、氢能技术，以及绿色低碳化工技术的产业化，将既有利于加快绿色低碳转型升级，又有利于行业实现可持续高质量发展，更有利于构建新时代化工发展新格局。
