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摘要：在电厂众多设备当中，汽轮机可谓是尤为重要的一部分。一旦汽轮机出现高压主汽门螺栓断裂或者是失效问题，将会引发不良事故，严重情况下将会对机组正常运转产生不良影响。就当前电厂汽轮机高压主汽门螺栓发生断裂失效情况而言，原因在于主汽门螺栓基于加工制造期间，由于受到热处理工艺控制缺失的问题，进一步导致金相组织中有粗晶存在，进而在机组运行过程中，螺栓高应力的粗晶将会出现开裂而不断扩充，最终出现了主汽门螺栓断裂失效。本文在阐述汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效试验的基础上，深入分析了现象产生的原因，以此为汽轮机高压主汽门螺栓质量的提升提供具有参考价值的建议。
关键词：汽轮机；高压主汽门；螺栓；断裂失效
电厂机组在运行过程中，由于诸多原因的存在，频繁出现问题，高压主汽门的泄露可谓是尤为经常性出现的一个问题，对整个机组的正常运行具有极为不利的影响，严重的情况下会产生重大事故。通常情况下，结合电厂所用的螺栓材质来看，主要具备的优势为：强度高、可塑性好，并且具备抗松弛性能好等优点，通常只适用于制造工作温度为570摄氏度以下的高温螺栓。一旦处于高压情况下，将极易出现螺栓断裂失效情况，从而影响到了机组的正常运行。鉴于此，本文对“汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效”进行深入分析具有极为重要的现实意义。
1.汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效试验分析
汽轮机高压主汽门螺栓一旦出现了螺栓断裂失效，相关人员所采取的试验，主要有五个方面的内容，分别是宏观检验、光谱分析、力学性能检验、硬度试验以及金相检验[1]。现对其加以具体分析，具体内容如下：
1.1宏观检验
如下图1，为断裂螺栓外观形貌示意图，其中的断裂部位是螺栓第1个螺纹的位置。由此可知，螺栓断裂只是部分失效。
试验人员在作业过程中，对图2（螺栓断口断面）进行认真观察，显示A区主要分布于螺栓断面外圈部位，呈现的特点为断面粗糙，同时结晶颗粒明显，可谓是裂纹源部位。与此同时，试验人员发现A区可以显示出沿晶断裂特征[2]。B区就颜色方面而言，相比C区显然颜色更深，并且具有人字条纹，B区形成原因主要是裂纹疲劳扩展，可称之为裂纹扩展区。C区处于螺栓中心部分，可谓是螺栓最终扭断的断裂区。
1.2光谱分析
光谱分析主要是针对螺栓材质方面的问题。试验人员采用光谱仪对已断裂失效的螺栓实施光谱分析，结果显示出的谱线完全符合20Cr1Mo1VNbTiB谱线特征，并没有发现错用材质的问题[3]。
1.3力学性能检验
在螺栓螺杆部端口约为60mm处取3根纵向拉伸试样，按照DL/T 439《火力发电厂高温紧固件技术导则》的具体要求进行力学性能试验[4]。在多次试验之后，检查人员对试验相关数据加以有效整理（如下表1）。除此之外，对所选试样进行了粗晶检查，发现端口断裂源均为粗晶区。
1.5金相检验分析
对螺栓断裂失效进行金相检验，内容较多，这里主要指出两个方面的内容，分别是宏观组织检验与微观组织检验。现对其加以具体分析。
1.5.1宏观组织检验
在此项检验作业过程中，选取螺栓螺杆部距断口约为30mm的部位，将圆环试样截取下来，进一步基于螺栓断面实施宏观组织检验，经过多次检验之后，并且确认试验数据无误的情况下，结果显示在螺杆外圈具有0到5mm大小不等的粗大晶粒，上述粗大晶粒分布在外圈约半圈长度范围内。值得注意的是粗大晶粒无需通过辅助设备才能发现，而是通过肉眼便可以发现。这一类的粗晶颗粒参照DL/T 439-2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》C3.1.2.6的相关规定，应评定为宏观粗晶（如图3所示）。
1.5.2微观组织检验
微观组织检验主要是针对粗晶区进行金相分析，经分析金相组织为方
向性贝氏体，晶粒粗大，等级是0级[5]。然后于螺栓细晶区域实施相应的微观组织检验，金相组织为细晶状贝氏体，晶粒度为6级，具体情况可以通过图4进行详细观察。
2.汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效原因分析
经过上述试验之后，可以较为详细地了解到螺栓断裂失效原因。现对上述试验结果加以具体分析，以此明确汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效原因。
在力学性能试验当中，通过表1、表2，发现试样1伸长率与断面收缩率均为0，试样2、3、4试验数据均显示其在合格范围内，试验之所以产生这一现象，是因为螺栓试样所选取位置不同。试样1部分处于粗晶区，试样2则完全处于细晶区，造成此类现象的原因在于粗晶对螺栓性能的巨大影响，即在粗晶区存在的情况下，粗晶区组织晶界非常薄弱，一旦受力过大，将极易出现裂纹源，从而造成螺栓断裂失效。
试验所选择的螺栓断口起始裂纹源刚好处于粗晶区，正是由于粗晶的存在，导致螺栓韧性降低，进一步导致螺栓在该处位置出现裂纹源。需认识到，螺栓正常工作时，螺纹根部第1圈螺纹处所受的力是最高的。因此，螺栓的第1圈螺纹和粗晶重合的位置便会有沿晶界开裂问题呈现，从而出现紧力不足，进而使得汽轮机高压主汽门法兰盘处有漏气的情况发生。根据断面B区可以看出，基于泄露问题，裂纹会发生相应的扩展，裂纹所分布面积会高于螺栓断面的60%，所以汽轮机维修拆卸过程中容易引发螺栓断裂失效的问题。
此外，组织晶粒粗大和螺栓加工时热处理工艺之间存在密切的关联性，并且和螺栓较高的锻造加热温度也有一定的关联性。针对上述情况，为避免粗晶的出现，则需要对螺栓的热处理工艺实施严格的控制，在满足材料锻造比的前提下尽可能降低锻造加热温度，同时锻造完成后安排调质处理工序，细化晶粒。总而言之，结合上述分析研究可知，在螺栓加工期间，如果锻造工艺及热处理工艺控制不力，易导致螺栓金相组织有粗晶出现，从而导致螺栓断裂失效。
3.结语
综上所述，主汽门螺栓用钢材作为高强度钢，具有持久强度、持久塑性以及抗松弛性能好等众多优点，但是一旦出现锻造工艺、热处理工艺控制不当，将会产生晶粒粗大现象，从而极易出现螺栓断裂失效，进而影响到机组的安全运行。为此，有必要严格按照DL/T 439《火力发电厂高温紧固件技术导则》中检验标准对螺栓进行检验，以确保螺栓质量，为机组安全运行奠定良好的基础。
参考文献：
[1]奚杰峰，马延会，陈锐.国产20Cr1Mo1VTiB主汽门螺栓的失效机理研究[J].热加工工艺，2015（02）：234-236.
[2]张涛，陈浩，田峰，陈志军，姜文.基于超声波粗晶检测技术的汽轮机汽门螺栓断裂分析[J].无损检测，2014（12）：76-80.
[3]石彩华.中压主汽门阀盖螺栓断裂原因分析[J].机械，2014（10）：74-76.
[4]麦雷.某电厂1号机TV1高压主汽门油动机螺栓断裂分析[J].机电信息，2013（24）：56-57.
[5]胡洁梓，杨点中.20Cr1Mo1VTiB汽机主汽门螺栓断裂失效分析[J].宁夏电力，2013（01）：48-50.
论文作者:张跃普
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/29
标签：螺栓论文; 汽轮机论文; 金相论文; 汽门论文; 高压论文; 晶粒论文; 试样论文; 《基层建设》2018年第7期论文;