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在發(fā)展中求生存,不斷完善,以良好信譽(yù)和科學(xué)的管理促進(jìn)企業(yè)迅速發(fā)展高壓主汽閥雙頭螺柱是沒(méi)有頭部、兩端均帶外螺紋的一類緊固件,一端旋入主汽閥閥體,另一端穿過(guò)閥蓋后用螺母鎖緊,使主汽閥和閥蓋實(shí)現(xiàn)緊密連接,從而保證主汽閥的氣密性。高壓主汽閥雙頭螺柱工作時(shí)處在高溫、高應(yīng)力等工況較為復(fù)雜的環(huán)境,在汽輪機(jī)的能量傳導(dǎo)中起到重要作用,與機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和生產(chǎn)安全密切相關(guān),因此,分析螺柱的斷裂原因,并制定適當(dāng)?shù)恼暮皖A(yù)防措施是十分必要的。該斷裂螺柱規(guī)格(直徑×螺距×長(zhǎng)度)為72mm×3mm×410mm,材料為20Cr1Mo1VTiB鋼,服役溫度為540℃,服役時(shí)長(zhǎng)約為15a,機(jī)組運(yùn)行期間未發(fā)現(xiàn)超溫現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知,緊固件失效的主要類型有脆性斷裂、疲勞失效、過(guò)載失效等,導(dǎo)致斷裂的原因有材料熱加工或熱處理工藝控制不當(dāng)、材料冶金工藝不當(dāng),以及設(shè)備運(yùn)行等方面的問(wèn)題。廣西桂能科技發(fā)展有限公司的石順梅對(duì)斷裂螺柱A1、同一主汽閥上的螺柱A2和另一側(cè)(B側(cè))主汽閥上的螺柱B1進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),確定了螺柱斷裂的主要原因,并提出了相關(guān)建議,以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。
1.1 宏觀觀察
斷裂螺柱A1的宏觀形貌如圖1所示,可知斷裂位置為螺紋和光桿連接的變截面處,以及螺柱與閥體配合部分的第一螺紋處。
螺柱A1斷口的宏觀形貌如圖2所示,可見(jiàn)斷口基本垂直于螺柱軸線,即螺柱的拉伸方向,斷口較平整,沒(méi)有明顯的塑性變形,斷面有粗糙的顆粒,呈脆性斷裂特征;斷裂由螺柱外表面的粗大結(jié)晶顆粒處起源,在拆卸、擰轉(zhuǎn)過(guò)程中裂紋快速擴(kuò)展,導(dǎo)致螺柱發(fā)生斷裂。螺柱A2和B1的宏觀形貌未見(jiàn)裂紋、破損等異常。
1.2 化學(xué)成分分析
采用直讀光譜儀對(duì)螺柱A1、A2和 B1進(jìn)行化學(xué)成分分析,根據(jù)結(jié)果可見(jiàn)螺柱A1,A2和B1各元素含量均符合GB/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》的要求。
1.3 掃描電鏡分析
在螺柱A1的斷口起源位置處取樣進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析,結(jié)果如圖3可知。由圖3可知:斷口呈沿晶、解理和腐蝕的脆性斷裂特征,部分晶界面上發(fā)現(xiàn)氧化斑點(diǎn)、腐蝕坑,晶界處有大量碳化物顆粒聚集,部分碳化物顆粒粗大。
1.4 金相檢驗(yàn)
在螺柱A1斷口裂紋源附近的縱截面和橫截面處分別取樣,在螺柱A2和B1的橫截面處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:螺柱 A1的顯微組織為貝氏體,有明顯的黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界,晶粒粗大,晶粒度等級(jí)為1.5級(jí),斷口邊緣裂紋沿晶擴(kuò)展,未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物或套晶結(jié)構(gòu);螺柱A2的顯微組織為貝氏體,有明顯的黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界,晶粒粗大,晶粒度等級(jí)為2級(jí),未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物或套晶結(jié)構(gòu);螺柱B1的顯微組織為貝氏體,有輕微斷續(xù)的網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界,晶粒度等級(jí)為5級(jí),未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物或套晶結(jié)構(gòu)。
1.5 力學(xué)性能測(cè)試
分別在螺柱A1、A2和B1橫截面的1/2半徑處進(jìn)行布氏硬度測(cè)試,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)螺柱A1,A2和B1的硬度均符合GB/T 439—2018的要求(255~302HBW),其中螺柱A1的硬度接近GB/T 439—2018要求的上限。
分別在螺柱A2和B1橫截面的1/4半徑處,沿軸向切取2個(gè)10mm(直徑)的圓形拉伸試樣。螺柱A1因斷裂后長(zhǎng)度不滿足試驗(yàn)機(jī)的拉伸要求,無(wú)法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)在室溫(21℃)下進(jìn)行,結(jié)果如表2所示,可見(jiàn)螺柱A2的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均接近GB/T 439—2018要求的下限。
分別在螺柱A1、A2和B1橫截面的1/4半徑處沿軸向切取試樣,并加工成3個(gè)U型缺口沖擊試樣,試樣尺寸為10mm×10mm×55mm(長(zhǎng)×寬×高),試樣的缺口深度為2mm,沖擊試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,沖擊試樣斷口的宏觀形貌如圖5所示。由表3和圖5可知:螺柱A1和A2的沖擊吸收能量均低于GB/T 439—2018的要求(≥39J),螺柱A2的剪切斷面率為0;螺柱B1的沖擊吸收能量符合GB/T 439—2018的要求,剪切斷面率為100%。
由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:斷裂螺柱的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,說(shuō)明螺柱的斷裂與材料無(wú)關(guān);斷裂螺柱A1的裂紋從外表面沿黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界向內(nèi)擴(kuò)展,其顯微組織與螺柱A2的顯微組織相似,存在異常的黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界,且晶粒粗大;螺柱A1和 A2的硬度接近標(biāo)準(zhǔn)的上限,斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率接近標(biāo)準(zhǔn)的下限,沖擊吸收能量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求,沖擊試樣斷口的晶粒粗大,呈脆性斷裂特征,原因是材料的晶粒粗大,顯微組織中的黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界導(dǎo)致材料變脆。螺柱B1的顯微組織與螺柱A1和A2的顯微組織明顯不同,其晶粒較細(xì),螺柱B1的硬度、室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果和室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,沖擊試樣斷口的晶粒較細(xì),邊緣有明顯剪切唇,塑性較好。
依據(jù)DL/T 715—2015 《火力發(fā)電金屬材料選用導(dǎo)則》可知,螺柱A1的材料為20Cr1Mo1VTiB鋼,該鋼的力學(xué)性能較均勻,持久強(qiáng)度高、持久塑性高、淬透性好、抗松弛性能好,且缺口敏感性低、熱脆傾向小,用作螺柱時(shí)推薦的最高使用溫度為570℃。該鋼經(jīng)常出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象,導(dǎo)致其力學(xué)性能變差,當(dāng)硬度大于260HB時(shí),該鋼的晶粒越粗大,沖擊吸收能量越低。
根據(jù)有關(guān)資料顯示,對(duì)于主要受軸向載荷并承受拉應(yīng)力的螺栓,常見(jiàn)的破壞位置有:①與螺母配合部分的第一螺牙根部,該處受力占總載荷的31%,失效概率約為65%;②螺紋與光桿部分的過(guò)渡區(qū),失效概率約為20%;③螺栓頭與螺桿的過(guò)渡處,失效概率約為15%。螺柱在使用中受力狀態(tài)復(fù)雜,主要受到拉伸、扭轉(zhuǎn)以及復(fù)合應(yīng)力的作用,同一截面中,外表面受力最大,因此外表面的薄弱部位極易萌生微裂紋,當(dāng)裂紋萌生后,材料受到的應(yīng)力和材料的塑性儲(chǔ)備量對(duì)裂紋的擴(kuò)展起決定性作用,該斷裂螺柱A1的脆性大、韌性較低,非常有利于裂紋的擴(kuò)展。在檢修期間,為將螺柱拆卸下來(lái),會(huì)施加適當(dāng)?shù)牧夭⑦M(jìn)行敲振,來(lái)回活動(dòng)螺柱或螺母,使其松動(dòng),因此螺柱必將受到額外的附加應(yīng)力,增大了危險(xiǎn)截面的過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)。
綜上所述,斷裂螺柱在制造過(guò)程中因熱處理工藝不當(dāng),存在晶粒粗大問(wèn)題,影響了力學(xué)性能,即沖擊吸收能量低;在長(zhǎng)期高溫服役過(guò)程中,碳化物沿原奧氏體晶界析出并聚合長(zhǎng)大,形成脆性相,增大了材料的缺口敏感性和脆化傾向;運(yùn)行過(guò)程中在拉伸應(yīng)力及其他應(yīng)力的綜合作用下,危險(xiǎn)截面的外表面最薄弱處萌生了微裂紋,并緩慢沿原奧氏體晶界擴(kuò)展,檢修期間受拆卸沖擊力的影響,裂紋快速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺柱發(fā)生斷裂。
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