电厂高温紧固件投运后的金属监督研究

娄跃武

摘要：在火电厂的日常运营过程中，如果螺栓长时间处在高温大应力的加工条件下就很容易出现断裂问题，从而导致机组运行稳定性受到不可逆的影响。本文针对上海锅炉厂的1000MW机组高压调门螺栓出现断裂的原因，从材质残留的检验结果展开金相分析及力学性能分析，并提出有效的预防、应对和解决方案。

关键词：火力发电厂；高温紧固件；金属监督；

在火电厂中，安全生产必须建立在可靠、稳定的高温紧固件基础上才能得以保障。因此，根据运行的静态跟踪对整个机组进行金属监督是很有必要的。在高温紧固件的使用过程中，由于长期受到环境介质、温差和应力变化等多重影响，在逐渐老化后最终会彻底失效。

通过多种方式从宏观、微观、力学性能等金相分析，在试验分析失效试样后，将高温螺栓断裂失效的原因逐一找出，并进行归纳和总结。

1 失效情况

某公司在购入上海锅炉厂的1000MW机组后，在投产过程中尚未出现过任何的质量问题。但上半年机组却出现了异常的振动现象，相关操作人员在发现后已及时安排检修部门前来查看故障原因。在机组拆解完成后，可以明显看出高压调门螺栓发生断裂的情况，据排查统计共有三根已完全失效。

从视觉上来看，高压调门螺栓基本都是在光杆同一位置，即距上螺栓大概50~110mm处出现断裂的情况。在此，笔者取试样后，单独分析并统计了螺栓断裂的情况以及失效的原因。

2 主要试验

2.1整体形貌

所谓断口，就是高压调门螺栓断裂后呈现出的痕迹，可以体现出失效零件在断裂时所具备的抵抗变形的能力。在试验分析后，可以通过材质概况、力学状况来判断并总结出断裂的具体位置和裂纹的扩展方向，进而实现对断裂过程的再次还原，断裂原因自然就水落石出了。

笔者通过光镜观察得出，1#试样的断口是暗灰色的，没有看到塑性变形的痕迹，断口几乎垂直于受力方向，内壁显现出裂纹源的形状，边缘处出现扭力终断区，呈现脆断状态。2#试样的情况基本与1#试样保持一致，只是附带了一些可见贝壳纹和疲劳断裂的痕迹。为了能更看清地看到两个试样的断口形貌，笔者借助了电镜设备进行深度观测，得出它们的呈现状态存在明显的差别，1#试样是主裂纹、2#试样则是次裂纹，同时在电镜的视野中，可以感受到更加强烈的立体感，试样均呈现沿晶脆断状态。

此外，笔者还分析研究了断口出现的烧蚀状况。纵刨后可以看出，1#试样是呈凹坑状态，坑深大、存在金属飞溅的痕迹，有细微裂纹，整体呈放射状态。2#试样的情况也是如此，区别在于坑深较小，只是面积相对明显一些。

2.2成分分析

在对试样化学成分的测定过程中，应严格遵循GB/T4336-2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法》中的相关要求来进行。分别在1#、2#试样断口进行取样，通过火花源发射光谱法测定化学成分分析试验后得知，两个试样的组成成分都和标准规定参数保持一致。

2.3.1布氏硬度

在对试样硬度的测定过程中，应严格遵循GB/T231《金属布式硬度试验方法》中的相关要求来进行，试样固溶+时效供应状态HB10/3000应保持在331及以上。

在本次试验中，我们分别在断口横断面的三个不同位置进行取样并仔细打磨了测点，直至测试样表面符合清洁、平整、光滑等相关要求。随后在测量位置各部位分别取三个点进行逐一测量，计算并统计下平均值。

经测量得知，1#试样的内壁、外壁内侧及内外壁中间位置的布氏硬度测量值分别为427、420和417，这样看来，该试样断面处的布氏硬度值都是符合标准规定的；随后再来看2#试样，其对应位置的布氏硬度测量值分别是432、437和435，可见都要比标准规定值偏低一些，虽在长期的温度作用下导致硬度有所折损，但在标准规定方面，还是能够勉强达到的。

2.3.2力学性能试验

试样端口形貌是反映材料抵抗外力能力以及零部件在使用过程中失效后的材料性质和状况的主要依据，而且在判断断裂源和扩展方向时也是不可缺少的有力参考。

把1#、2#试样分别截成两件试棒，各取编号1-1#、1-2#和2-1#、2-2#共计四件，并依次开展高温力学性能试验。本次试验包含四种项目，即抗拉强度Rm、断面伸长率A、断后伸长率Z和屈服强度Rp0.2，在观察各试样断裂处的形貌得知，在冲击韧性性能方面，虽然均值比标准值稍大一些，但全部都是处在标准值以下，其余各项指标尚未发现明显的问题。

2.4组织金相观察

笔者为分析研究出试样内部组织的变化情况，还单独制备试样，完成了金相组织观察的一系列操作。在试样开始腐蚀之前，对横截面进行仔细观察，可以看出表面裂纹沿内壁烧蚀处有向外延伸的趋势。在试样的腐蚀试验结束后，可以看到明显的沿晶裂纹，塑性变形程度较小，其中1#试样晶粒要比2#试样的稍大一些，沿晶裂纹呈现出龟裂的形状。对比相关资料的描述来看，这种状态并没有任何异常。

螺帽硬度对于螺栓的力学影响

螺帽和螺栓配对可以达到紧固的作用，但是如果螺帽的硬度过低就会导致紧固的效果不够完善，但是螺帽的硬度太高也会导致螺栓的寿命出现显著的降低和拆卸的困难，所以我们结合经济和安全的角度分析，我们需要恰当的选择硬度合适的螺帽，这样才能在保证螺帽寿命的同时保证运行的安全性。因为螺栓本身受到蠕变等等因素的影响，螺栓的损伤是一个较为缓慢，持续时间较长的过程，虽然从长时间来看，螺栓的硬度可以有效的体现出这个过程，但是只是简单从硬度判断螺栓自身的损伤程度和情况这是完全不合理的，特别是在运行的时间超过了五万小时以后，在螺栓合格的情况下我们需要考虑蠕变现象以及韧性等等指标。

2.5综合分析

在机电强电流加热过程中，如果加热棒的保护套瞬间爆开，就会产生电火花，随后介质被迅速击穿，并融化在螺栓内壁处，随着能量越积越多，螺栓内孔会因温度过高而被灼伤，使其烧损程度进一步提高。螺栓内外表面温差过大会产生相应的温差应力差，导致微观组织发生变化，性能受损。继续使用的话，螺栓断裂失效可能就是一瞬之间的事情。

3. 预防措施

为了保证在火力发电厂当中加热元件的受热均匀，我们需要改变螺栓的工艺，加强对于热紧工艺的研究，使用涡流感应完成相应的加热。其次在生产过程当中，我们需要尽可能的提高螺栓螺纹的切合面的精度和质量，优化力的分布结构，防止出现应力集中的现象，其次对于硬度不合格的螺栓以及运行时间超过五万小时的螺栓进行全面的检测，在必要的条件下需要进行韧性的检测，在进行维修的时候需要进行螺栓蠕变相关的检测。最后我国的DL438以及DL/T439都对于高温紧固件的运行之后的检验提出了相应的规定，通过分析研究我们发现，对于DL438只要是要求监管人员讲硬度作为实际的评判指标，但是对于DL/T439主要是在螺栓检测的过程当中使用多项的指标进行全面综合的评价分析，更具有科学性以及操作性，我们要求相关的部门尽量统一这些监督的方法，满足对于螺栓的实际检测要求。

3. 总结

通过相关的研究分析，我们发现在火力发电厂当中因为受到高温，设备应力等等因素的影响最终导致了，热紧高压螺栓的内部出现的损伤，因为高压阀门螺栓在加热过程当中出现的破损，导致腐蚀了螺纹，最终导致螺栓的内部出现裂纹，降低了紧固器械的稳定性，如果螺栓因为受到了横向的冲击就很容易导致螺纹螺栓损毁，这就导致火力发电厂螺栓失效最根本的原因。

参考文献

[1]高强螺栓在大型机具上的使用[J].   电力建设. 1994(11):98-99

[2]风电机组高强螺栓试验与安装技术总结[J]. 王忠锋,余泉.  风能. 2018(01):108-110

[3]锅炉钢结构用高强螺栓断裂原因分析[J]. 梁宝琦,关帅.  锅炉制造. 2018(04):165-166