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摘要：本文通过对火力发电厂20Cr1Mo1VNbTiB钢高温螺栓出现的脆断现象与样品宏观、金相、硬度、拉伸、冲击和化学成分试验分析结果对比，探讨了引起该钢种螺栓产生脆性断裂的原因，总结了针对此类螺栓脆断缺陷切实可行的现场检验及组织缺陷评价方法。
关键词：火力发电厂；20Cr1Mo1VNbTiB钢高温螺栓；金相检验；
1 前言
20Cr1Mo1VNbTiB钢高温螺栓在570℃长期工作具有强度高、抗松驰、抗氧化、组织稳定等特点，是广泛应用于汽轮机汽缸、主汽门和高压调门等重要承压部件的高温紧固件。火力发电厂热力设备上使用的螺栓通常在高温下长期运行过程中会出现应力松弛和蠕变现象，如果螺栓材质性能不良或劣化、预紧力过大以及机组的启动和负荷变动产生的交变应力可能会造成螺栓断裂，导致失效螺栓相邻部位的螺栓承受的应力增大，发生伸长变形甚至断裂，造成结合面泄漏或整台机组停机，一些重大的螺栓失效事件还会导致人身伤亡和财产的巨大损失。因此，掌握高温螺栓的检验技术和失效分析方法，实现对在役机组高温螺栓的有效监督，对火电机组安全生产有着重要的意义。而通过低倍及微观金相检验,能够及时的发现螺栓材质、性能缺陷，保证螺栓的使用安全和寿命。以下针对火力发电厂常用的两种螺栓材料的组织性能缺陷及金相检测方法展开分析。
20Cr1Mo1VNBTiB（争气1号）钢主要用于工作温度在570℃以下的高温螺栓，热处理工艺为调质：淬火（1020～1040℃）+高温回火（700～740℃），回火时间不小于6h,调质后的金相组织为回火贝氏体（F）+珠光体（P）。由于20Cr1Mo1VNBTiB钢具有严重的组织遗传性，所以在生产过程中经常出现粗晶现象。晶粒粗大会导致材料冲击韧性下降，是造成螺栓发生脆性断裂的重要原因之一。
2现场金相检测方法
螺栓的检测主要依据《火力发电厂金属技术监督规程》（DL/T438-2016）、《火力发电厂高温紧固件技术导则》（DL/T439-2018）两个标准。现场检验前应充分了解螺栓的材质和热处理状态。检验时首先要对螺栓端面或者光杆部位进行粗磨，其主要目的是打磨掉螺栓外表的氧化皮，可采用角向砂轮或其他电动工具打磨，将表面打磨平整即可。打磨太深或者不平整都会对螺栓的使用及后续的检测造成不利影响，然后对检测面进行细磨，细磨主要是为了消除粗磨留下来的磨痕，打磨要成90°交叉打磨，确保消除粗磨及前一道打磨留下的磨痕，在打磨时候主要使用的是320#和600#的百叶轮打磨片，这样不仅节省了打磨的时间，而且减少了对螺栓的损伤。
细磨之后对检测面进行抛光，一般采用机械抛光方法。抛光时注意保持毛毡干净无沙粒，重复上下抛光直到检测面出现少许镜面，再从另一个方向将多余的抛光剂抛掉直至抛出光亮无痕的镜面为止。抛光结束后开始对检测面进行腐蚀，腐蚀前首先要用酒精将检测面周围的抛光剂完全擦掉，擦拭时禁忌污染检测面，清理干净后用干净的酒精棉将镜面的浮尘擦拭干净，然后使用4%硝酸酒精腐蚀，腐蚀时长根据检测环境温度情况而定，轻微擦拭以免造成划痕。此时可以直接用放大镜及现场金相显微镜对检测面进行观察。
低倍试验中出现肉眼可见的、在不同角度的光线下呈现不同的色泽与光亮度的多边形颗粒斑块，也就是位相不同的晶粒。高温螺栓的宏观粗晶检测可直接用320#百叶轮打磨、化学抛光液擦拭（10s-20s）、4%硝酸酒精腐蚀，以提高检测效率。
20Cr1Mo1VTiB高温螺栓低倍金相检验，对3、4级晶粒很难判断，必须要结合微观金相检验对螺栓晶粒度进行级别，确保螺栓的检测质量。
3案例分析
某电厂A级检修期间，在拆卸过程中发现一条中压外缸螺栓断
裂，螺栓规格：M90×658mm，材质:20Cr1Mo1VTiB,共计42条。对其余螺栓进行检测，发现12条螺栓硬度检测值不符合标准DL/T439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》的要求，10条螺栓存在粗晶，最严重的粗晶为1级。
3.1硬度试验
对粗晶螺栓抽取4根进行布氏硬度试验，试验参数5/750 kg、保持时间10 s。试验结果平均值：308、309、300、306。从检测结果可以看出，粗晶螺栓硬度值接近或略超过DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》标准规定值的上限。
3.2拉伸、冲击检验
对上述20Cr1Mo1VTiB粗晶螺栓进行拉伸及冲击试验，所检试样抗拉强度、屈服强度、断后伸长率均符合DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》标准技术要求。但其冲击韧性大大低于标准规定值。螺栓拉伸、冲击试样宏观断口晶粒粗大。检验结果详见下表：
3.3化学成分
所检试样化学成分中C、S、P符合DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》中20Cr1Mo1VTiB的技术要求。检验结果详见下表：
3.4螺栓断裂原因分析
从上述检查结果可以看出，断裂螺栓化学成份及常温拉伸机械性能均符合DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》标准规定，硬度检测值略超标准规定值的上限。但冲击韧性值却远低于标准规定值。
20Cr1Mo1VTiB钢作为国产高温螺栓用钢，通常具有良好的综合力学性能。但该钢种对热处理比较敏感，如热处理工艺控制不当，螺栓很容易出现肉眼可见的粗大晶粒。从宏观断口分析该断裂失效螺栓断口表面粗糙且严重锈蚀，具有粗晶的特征，从断口表面锈蚀程度判断该螺栓断裂时间已久，初步判断是在安装后机组运行初期即已开裂。从如图所示断口位置1形貌可判断该处为最终断裂处，断口表面有金属光泽无锈蚀，说明是这次拆卸造成的新断口。整个断面形貌存在放射状条纹，从条纹走向分析初始断口为位置2启裂点位于螺纹根部应力集中部位。断裂螺栓试样冲击韧性下降，冲击试样宏观断口晶粒粗大。对螺栓开裂断口面进行现场金相检验晶粒度为2级。微观金相组织为粗大的框架状贝氏体组织（图8），按照DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》标准规定：“方向性排列的粗大贝氏体组织、粗大原奥氏体黑色网状晶界均属于异常组织。”对备用螺栓进行金相检验，金相组织正常，为细晶状贝氏体（图9），与断裂失效螺栓金相组织有很大差异。由此可见，不良的金相组织是导致螺栓发生断裂失效的重要原因。
4讨论
影响螺全使用性能的组织缺陷主要有加工及热处理工艺控制不当造成的原始金相组织异常及运行后在高温及应力作用下造成的组织改变和碳化物析出。这些组织缺陷可以严重影响到高温螺栓的强度和韧性。造成螺栓应力松驰和发生脆断。采用常规的非破坏性检测手段，例如超声、磁粉、硬度试验，可以发现高温螺栓宏观缺陷、强度改变及部分原因引起的韧性下降。但对于20Cr1Mo1VNbTiB及20Cr1Mo1VTiB钢粗晶造成的韧性下降却无法检出和判断。因此。正确使用现场金相检测手段对高温螺栓进行使用前和投运后的检验，不仅可以及时发现螺栓原始组织缺陷及运行后的组织改变和劣化情况，还可以对20Cr1Mo1VNbTiB及20Cr1Mo1VTiB钢粗晶组织缺陷造成的韧性下降做出准确判断和评估，可以更加有效的提高螺栓组织缺陷的检验效率和检验结果的准确性。防止出现螺栓脆断、结合面泄漏等严重事故。是一种不可或缺的重要检验手段。另一方面。热处理工艺不当常会造成高温螺栓端部晶粒度正常，光杆部位晶粒度粗大的现象出现，由于光杆位置受力要远远大于端部，在火力发电厂高温螺栓现场金相检验过程中，不仅要对新螺栓的端面进行100%的低倍金相检验，还有必要对螺栓光杆部位进行低倍金相检验抽查。
5结语
火力发电厂在役机组的20Cr1Mo1VTiB钢高温螺栓数量、规格较多，而通过低倍及微观金相检验等能够了解批量螺栓的原始组织状态及其变化规律，可以有效的保证螺栓的使用安全和寿命。为火力发电厂提供及时有效的处理意见和监督措施，减少安全隐患，为机组的正常运行提供保障。
参考文献：
[1]DL/T438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》
[2]DL/T439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》
[3]蔡文河；严苏星.电站重要金属部件的失效及其监督
论文作者:于佳宇
论文发表刊物:《中国电业》2019年第9期
论文发表时间:2019/9/20
标签：螺栓论文; 金相论文; 火力发电厂论文; 高温论文; 晶粒论文; 组织论文; 断口论文; 《中国电业》2019年第9期论文;