国检检测欢迎您!

微信公众号|腾讯微博|网站地图

您可能还在搜: 无损检测紧固件检测轴承检测浙江综合实验机构

社会关注

分享:主汽门阀盖螺栓断裂失效分析

返回列表 来源:国检检测 查看手机网址
扫一扫!分享:主汽门阀盖螺栓断裂失效分析扫一扫!
浏览:- 发布日期:2021-09-06 13:24:09【

邱康勇,张 杰,吴继权

(深圳市特种设备安全检验研究院,深圳 518029)

摘 要:某电厂在停炉检修时发现一主汽门阀盖螺栓断裂失效,采用宏观分析、化学成分分析、硬度试验、金相分析、断口以及能谱分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:螺栓断裂的主要原因为螺栓显微组织粗大且不均匀,在长期高温和应力作用下,局部位置的晶界发生蠕变产生蠕变孔洞;然后在腐蚀介质的作用下,裂纹从晶界蠕变孔洞处萌生并沿晶界扩展,最终造成一次性沿晶脆性断裂.

关键词:螺栓;断裂;蠕变;腐蚀;沿晶脆性断裂;失效分析

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号: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

    高温螺栓是火力发电厂广泛使用的紧固件之一,在役机组 的 高 温 螺 栓 出 现 失 效 现 象 在 火 电 厂事故中较为普遍[1].某电厂在2016年12月停炉检修时 发 现 其 中 一 根 主 汽 门 阀 盖 螺 栓 断 裂 成 两截,如图1 所 示.失 效 的 主 汽 门 阀 盖 螺 栓 标 称 材料为20Cr1Mo1VTiB钢,规格为 M56mm,且为双头螺栓.该螺栓所在机组于2005年投入使用,截止到发现螺栓断裂时已累计运行40000h,期间共有过 4 次 拆 装,机 组 工 作 期 间 最 高 运 行 温 度 为530 ℃,每天运行时间为10h.为查明失效原因,避免类似失 效 的 再 发 生,笔 者 对 该 断 裂 螺 栓 进 行了检验和分析.

主汽阀门螺栓安装位置


1 理化检验

1.1 宏观分析

图2为断裂主汽门阀盖螺栓的整体宏观形貌,可见断裂发生在双头螺栓一头的最后一条螺纹处,该处为螺栓应力集中较大的区域.图3为螺栓断口宏观形貌,可见断口比较粗糙,且较为平坦,呈颗粒状,断口上未观察到放射区和纤维区,断口整体比较灰暗,呈脆性断裂特征[2].

断裂螺栓宏观形貌

1.2 化学分析

    在断裂主 汽 门 阀 盖 螺 栓 上 截 取 光 谱 试 样,经清洗、干燥、打 磨 后,采 用 台 式 直 读 光 谱 仪 进 行 化学成分 分 析,结 果 见 表 1. 可 见 断 裂 螺 栓 的 化学成分符合DL/T439-2006«火力发电厂高温紧固件技术导 则»对 20Cr1Mo1VTiB 钢 成 分 的 技 术要求.

表1 螺栓化学成分分析结果(质量分数)

表2 螺栓硬度试验结果



螺栓断口宏观形貌


1.3 硬度试验

    在主汽门阀盖螺栓断口附近截取横截面试样,打磨、抛光后进行布氏硬度试验,结果见表2.可见断裂螺栓的布氏硬度亦符合 DL/T439-2006 对20Cr1Mo1VTiB钢的技术要求.


1.4 金相分析

    在主汽门阀盖螺栓断口附近截取横截面试样,镶嵌、打磨、抛光后用4%(体积分数)硝酸酒精溶液进行侵蚀,光学显微镜(OM)下观察试样显微组织形貌见图4.显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体,但组织分布不均匀,部分晶粒较为粗大,且晶界处存在细小的蠕变孔洞[3G4].将金相试样置于扫描电镜(SEM)内进行观察,同样可见晶界处存在少量细小的蠕变孔洞,见图5.

1.5 断口扫描电镜及能谱分析

    将主汽门阀盖螺栓断口切取下来,经无水酒精清洗干净、干燥后,置于扫描电镜内进行观察.可见螺栓表 面 有 大 量 的 覆 盖 物,覆 盖 物 形 貌 及 能 谱(EDS)分析结果见图6,由此可推断出该覆盖物为铁的氧化产物.

图4 螺栓横截面显微组织 OM 形貌

将断口进一步并且干燥后,置于扫描电镜内再次进行观察,断口形貌见图7.可见断口主要呈冰糖状沿晶断裂形貌,断口上可见二次裂纹与孔洞,断口局部放大可见解理台阶,呈典型的脆性断裂形貌特征[5].




图5 螺栓横截面显微组织SEM 形貌



图6 断口表面覆盖物SEM 形貌及 EDS分析结果

图6 断口表面覆盖物SEM 形貌及 EDS分析结果

Fig.6 Thea SEM morphologyandb EDSanalysisresultsof

coveringsonthefracturesurface


呈冰糖状沿晶断裂形貌,断口上可见二次裂纹与孔洞,断口局部放大可见解理台阶,呈典型的脆性断裂形貌特征[5].



2 综合分析

    由上述理化检验结果可知,断裂主汽门阀盖螺栓的化学成分和硬度均满足 DL/T439-2006 对20Cr1Mo1VTiB钢的技术要求.

    由金相分析结果可知,主汽门阀盖螺栓显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体,组织分布不均匀,部分晶粒较为粗大,同时晶界处存在蠕变特征.蠕变的产生主要与温度及应力有关,螺栓的使用温度为530 ℃,该 温 度 未 超 过 材 料 的 最 高 许 用 温 度(570 ℃),但也是在高温下服役.螺栓服役过程中的应力来自以下4个方面:第一,当机组平稳工作时,在530 ℃温度下,螺栓同时承受一定的热应力,但当机组处于启动和结束两个阶段时,螺栓承受的则是交变热应力;第二,结合螺栓的装载位置及螺栓一头套在螺帽内的特点可以看出,该螺栓承受一定的剪切应力;第三,螺栓在服役过程中,存在机械交变循环应力的作用,机械交变循环应力主要来源于锅炉停炉、启动及运行过程中的负荷波动;第四,由于螺栓断裂位置位于最后一条螺纹处,此处本身就为应力集中位置.

    由断口分析结果可知,断口受到较严重的腐蚀作用;断口主要呈沿晶冰糖状,同时可见二次裂纹与孔洞,孔洞的形成与腐蚀及蠕变有关.因此可以判断该主汽门阀盖螺栓发生的是沿晶脆性断裂.综合以上分析,由于螺栓显微组织晶粒较粗大且组织分布不均,螺栓长期承受530℃高温,在一定应力作用下局部位置的晶界发生蠕变,晶界处的蠕变孔洞成为裂纹源,然后在腐蚀介质的作用下,裂纹在晶界处萌生并沿晶界扩展,最终造成一次性沿晶脆性断裂.

3 结论及建议

    该主汽门阀盖螺栓断裂为一次性沿晶脆性断裂;造成其断裂的原因是螺栓显微组织粗大且分布不均匀,在长期的高温和应力作用下,局部位置的晶界发生蠕变产生蠕变孔洞,然后在腐蚀介质的作用下晶界蠕变孔洞处萌生裂纹并沿晶界扩展,最终造成螺栓一次性沿晶脆性断裂.




图7

    建议加强对螺栓使用前的抽查检验;检修过程中应对螺栓进行无损检测,必要时可进行现场化学成分、硬度、金相等项目的检验;加强对锅炉水质溶解氧以及pH 值等指标的监测.


(文章来源:材料与测试网-理化-物理 2018年 > 4期 > pp.304)

最新资讯文章