张 涛，陈 浩，田 峰，陈志军，姜 文

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古国电兴安热电有限公司，乌兰浩特 137400）

国内某汽轮机厂采用美国西屋公司技术设计生产的600MW 等级、亚临界、一次中间再热、单轴三缸四排汽、反动凝汽式汽轮机组，共有12只蒸汽阀门，其中2只高压主汽门，4只高压调速汽门，2只中压主汽门和4只中压调速汽门，均采用单侧进油的油动机控制。该机组自投运以来已累计运行35 000h。

汽轮机在检修解体时发现，1 号中调门螺栓断裂9条，3号中调门螺栓断裂10条，2号及4号中调门螺栓断裂11条，1号高主门螺栓断裂3条，共计33条，给机组的运行带来了极大的安全隐患。

1 试样及试验方法

选取2条高主门螺栓及2条中调门螺栓进行检测试验分析，螺栓材质全部为国产20Cr1Mo1VTiB（蒸汽二号），详细信息见表1。

用自主开发的超声波螺栓粗晶检测技术对螺栓是否存在晶粒粗大现象进行分析［1－2］；用火花源原子发射光谱法对其成分进行分析；对螺栓的金相组织和各项力学性能进行了检测，利用扫描电子显微镜对其断口进行了微区形貌特征分析。

表1 螺栓详细信息

2 试验结果及分析

2.1 宏观检测及分析

对断裂的螺栓进行宏观形貌检察。螺栓A 断裂于螺栓接近螺纹的柔性杆部，表面锈蚀严重，断口粗糙，无宏观塑性变形，呈脆性断裂特性，如图1（a）所示。螺栓C断裂于柔性杆至第二扣螺纹处，断口形貌与螺栓A 相似，粗糙且无宏观塑性变形，呈脆性断裂特性，如图1（b）所示。

图1 断裂螺栓断口宏观形貌

2.2 化学成分分析

对上述4条汽门螺栓进行化学成分分析，结果各条螺栓的化学成分均符合标准要求。

2.3 超声波检测分析

采用超声波纵波检测技术对各螺栓进行检测。选用CTS－9003超声波探伤仪，探头为晶片直径φ14mm、频率5 MHz的单晶直探头，声速为5 900m／s，探头延时为0.3μs，增益为42.8dB。

图2所示分别为螺栓A、B、C 和D 的端面超声波反射情况。从图2（a）中可以看出，在使用相同规格、频率探头和相同增益情况下断裂螺栓A 的端面一次反射底波高度只有屏幕高度的20%，二次底波和三次底波无任何显示，衰减严重；与螺栓A 相同规格、材质的螺栓B 的端面一次、二次和三次反射底波均有较高的幅值，如图2（b）所示；断裂螺栓C的端面一次反射底波高为30%，二次底波为20%，三次底波几乎没有，衰减严重，如图2（c）所示；与螺栓C相同规格、材质的螺栓D 的一、二和三次反射底波均很强，如图2（d）所示。

可以看出，超声波在粗晶螺栓中衰减的很厉害。超声波的散射衰减与材料晶粒尺寸密切相关，晶粒粗大组织往往呈现各向异性，被散射的超声波会沿着更为复杂的路径传回，显著降低了其穿透能力，造成回波高度的降低，使得利用超声波回波信号差异鉴定晶粒级别成为可能。

图2 螺栓端面超声波反射波形图

2.4 组织检测与分析

对每根螺栓的横截面取样进行显微组织检测。断裂的螺栓A 试样表面经腐蚀后即出现肉眼宏观可见的粗大晶粒组织（宏观粗晶），晶粒平均直径大于0.5mm，如图3（a）所示。其显微组织中多数晶粒为具有框架状的贝氏体结构，束状铁素体变短，不同位向的晶粒之间有较大的反差，如图3（b）所示。按照标准［3］要求其晶粒级别被评为2级，而对于原设计材料为20Cr1Mo1VTiB 的柔性螺栓允许使用晶粒级别只能为5级。因此该螺栓晶粒等级已超标。这种粗大晶粒组织会严重降低螺栓的冲击韧性和持久塑性。

图3 断裂螺栓A 横截面宏观及显微组织

未断裂的高压主汽门螺栓B 的横截面中各部位宏观不能分辨晶粒，被检面呈银灰色细瓷状的微观细晶结构，其显微组织为细晶状贝氏体，晶粒细小，不能分辨晶内组织，按照标准要求其晶粒级别被评为5级，符合要求，如图4所示。

图4 未断裂螺栓B横截面显微组织

图5所示为断裂的中压调速汽门螺栓C 的横截面组织状态。该螺栓横截面经腐蚀后肉眼宏观可见晶粒粗大，晶粒平均直径大于0.5mm，不同晶粒的位向之间有很大的反差。显微组织为粗大的框架状贝氏体结构，晶内排状贝氏体交叉分布，呈发达的框架状结构。按照标准要求其晶粒级别为1级，不合格。

图5 断裂的螺栓C横截面显微组织

图6所示为未断裂的中压调速汽门螺栓D 的组织状态。可以看出，该螺栓横截面各部位宏观不能分辨晶粒，被检面呈银灰色细瓷状的微观细晶结构；显微组织为细晶状贝氏体，晶粒细小，不能分辨晶内组织。按照标准要求晶粒级别评为5级，合格。

晶粒尺寸是影响材料断裂韧性的重要因素。一般来说，晶粒越细，晶界总面积越大，使裂纹能越过有复杂位错结构的晶界而失稳扩展时所消耗的能量就越大，断裂韧性就越高［4－6］。

图6 未断裂的螺栓D 横截面显微组织

2.5 力学性能检测与分析

对各送检螺栓取样进行各项常温力学性能试验，结果见表2。

可以看出，各螺栓的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和硬度均符合标准要求，且未发生断裂的螺栓的强度稍低于断裂螺栓，而断后伸长率却高于断裂螺栓，说明断裂螺栓塑性储备不足。此外，2条断裂螺栓的冲击吸收功均远低于标准值，说明其断裂韧性很差，难以抵抗较强的冲击载荷。

表2 各螺栓的常温（20℃）力学性能测试结果

2.6 断口微区形貌分析

利用扫描电子显微镜（SEM）对上述每根螺栓的冲击断口进行微区形貌特征分析，如图7所示。

可以看出，螺栓A 和螺栓C的冲击断口呈脆性河流状解理断裂特征；螺栓B 的冲击断口呈现准解理断裂特征；螺栓D 的冲击断口上存在大量等轴状均匀分布的韧窝，呈现韧性断裂特征。

3 结果与分析

各条螺栓的化学成分中各元素含量均符合标准要求。断裂的螺栓A 和C的组织中存在肉眼宏观可见的粗大晶粒，显微组织均为粗大框架结构的贝氏体，晶粒级别分别为2级和1级，不符合要求。而未断裂的螺栓B和D 的组织均为细晶状的贝氏体，晶粒级别为5级，符合要求。各螺栓的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和硬度均合格，但未断裂螺栓的强度稍低于断裂螺栓，而断后伸长率却高于断裂螺栓，说明断裂螺栓脆性大而塑性储备不足。此外，2条断裂螺栓的冲击吸收功均远低于标准值，说明断裂螺栓的韧性也很差，缺口敏感性大。

从断口微区形貌特征分析，断裂螺栓A 和C 的冲击断口呈脆性河流状解理断裂特征；螺栓B 的冲击断口呈现准解理断裂特征；螺栓D 的冲击断口上存在大量等轴状均匀分布的韧窝，呈现韧性断裂特征。

20Cr1Mo1VTiB 作为我国自行研制的高温紧固螺栓用钢，经正确的热处理后具有良好的综合力学性能和热加工性能，570℃下具有较高的抗松弛性能，缺口敏感性较小，高温持久塑性较高，淬透性较好，其热处理制度为：1 030～1 050℃油淬加700～720℃不少于6h的回火［7］。但由于该材料具有严重的组织遗传性，如果锻造温度过高或锻后退火处理不当，会将方向性排列的粗大组织遗传下来，降低材料的塑性和冲击韧性。高温螺栓的应力集中敏感性与材料的塑性有关，如果材料在高温使用中有较高的持久塑性，则对应力沿螺纹重新分布产生有利影响，而当螺栓塑性不足，其缺口处的应力峰值高于持久强度时，会在螺纹缺口处产生裂纹而导致断裂［8］。

图7 螺栓冲击试样断口SEM 形貌

4 结论

使用超声波技术可以有效、高效地检出国产材质为20Cr1Mo1VTiB或20Cr1Mo1VNbTiB的汽轮机用高温紧固螺栓是否存在晶粒粗大现象。

汽轮机汽门螺栓断裂的主要原因是由于热加工及热处理工艺不当，继承了高温锻造时遗留的粗大框架组织，使得材料的塑性储备和冲击韧性严重不足，缺口敏感性增大，螺栓高温运行时在汽门频繁动作的工况下在螺纹沟槽处萌生裂纹并扩展而引发的脆性解理断裂。

在生产实践中，应重视对高温紧固螺栓的技术监督工作，可使用超声波与金相检验结合的方式对所有入厂材质为20Cr1Mo1VTiB或20Cr1Mo1VNbTiB材质高温紧固螺栓等进行全面的粗晶普查，严禁使用组织及力学性能不合格的粗晶螺栓，以免再次出现类似断裂事故。

［1］王立新，孙常明，田峰，等.用超声波探伤鉴定20Cr1Mo1V（Nb）TiB 粗晶螺栓的研究［J］.华北电力技术，2008（7）：1－3.

［2］王立新，孙常明，田峰，等.20Cr1Mo1V（Nb）TiB 紧固件晶粒级别超声波二次底波法检测技术研究［J］.内蒙古电力技术，2012，30（6）：12－16.

［3］中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL／T 439—2006火力发电厂高温紧固件技术导则［S］.北京：中国电力出版社，2006.

［4］任学冲，李高洋，宿彦京，等.夹杂物和晶粒尺寸对洁净车轮钢室温冲击韧度的影响［J］.理化检验—物理分册，2012，48（4）：207－212.

［5］MALONEY J L，GARRISON JR W M.The effect of sulfide type on the fracture behavior of HY180steel［J］.ACTA Materialia，2005（53）：533－551.

［6］TSUNEKAGE N，TSUBAKINO H.Effect of sulfur content and sulfide－forming elements addition on impact properties of ferrite－pearlitic microalloyed steels［J］.ISIJ International，2001，42（5）：498－505.

［7］姜求志，王金瑞，马士林，等.火力发电厂金属材料手册［M］.北京：中国电力出版社，2000.

［8］蔡文河，严苏星.电站重要金属部件的失效及其监督［M］.北京：中国电力出版社，2009.