2#5万汽轮机组主汽门螺栓断裂失效分析

2#5万汽轮机组主汽门螺栓断裂失效分
析
37112219860626****日照钢铁控股集团有限公司
37060220040612****烟台青华中学
主汽门紧固螺栓采用热紧双头螺栓，型号M56x4，共16颗，其中1颗断裂失效。

自上次大修后更换至今，运行约4年，即3.5万小时。

从断貌、光谱、金相三个方面对螺栓失效进行分析，并对螺栓进行拉应力强度校核，分析螺栓断裂失效原因，防止类似事件再次发生。

一、M56螺栓断貌分析
图1 M56紧固螺栓宏观断貌
由图1（左）知：裂纹由位置点1向位置点2扩展，呈放射状；裂纹收敛处（结合处）为裂纹源，即为位置点1处；位置点2处为最后撕裂位置。

由图1（右）知：断裂失效发生于螺纹根部，此处加工因尖角易产生应力集中。

二、M56螺栓光谱分析
对螺栓表面进行打磨，对断裂螺栓进行光谱分析，各元素含量如图2.
图2 螺栓元素含量表
通过对螺杆表面进行光谱分析，检测元素符合材质20Cr1Mo1VTiB标准要求。

依据DL/T439—2006标准，其材质最高使用温度为570℃，室温下其强度极限为785MPa，屈服极限为685MPa。

主汽门蒸汽温度约535℃，20Cr1Mo1VTiB材质能够
满足工况要求。

三、M56螺栓金相分析
图3 M56螺栓试样腐蚀后
图4 M56螺栓试样组织图调质金相组织图
由图3可知，试样在做腐蚀处理后，表面呈现明显的异常组织，见图红框内；对使用进行金相分析，试样组织为马氏体，该组织通常由淬火热处理获得，该组
织使得材料较高的硬度，但同时带来较高的脆性；通常再进行回火处理进行调质。

调质后组织为回火索氏体，其组织均匀有良好的韧性和塑性，具有较高的强度，
具有良好的综合力学性能。

四、螺栓校核分析
通过现场了解，蒸汽压力约8.83MPa，主蒸汽门截面直径约350mm，则蒸汽
产生的推力F:
通过16颗M56x4螺栓将主汽门法兰进行固定，应力截面积2144mm²，螺杆中
心存在φ20的加热孔，则螺栓实际承载面积S约：
假设螺栓均布受力，则单颗螺栓承受的拉应力δ：
通过对螺栓强度校核分析，550℃下，20Cr1Mo1VTiB的蠕变极限所需应力值为185MPa，单颗螺栓承受拉应力为30MPa小于蠕变极限所需应力值，说明螺栓不会发生条件蠕变。

五、结论及建议
1、螺栓从螺纹根部（易产生应力集中）开始失效，使用过程中裂纹扩展，最终因强度不足失效；
2、对断裂失效紧固螺杆表面进行光谱分析，检测各化学元素含量符号
20Cr1Mo1VTiB标准要求，其最高使用温度为570℃，能够满足工况使用要求。

3、由金相分析可知，组织为马氏体，该组织易导致螺栓脆硬；建议进行回火处理，提高螺栓的塑形和韧性。

4、对失效螺栓进行强度校核分析，假设16颗紧固螺栓均布受力，单颗螺栓承受的拉应力为30MPa，远小于550℃下其蠕变极限所需的应力值，材料强度满足使用。

5、建议优化备件加工质量，减少螺纹根部敏感性；
6、对于批量备件，建议提供PT探伤报告及热处理报告；
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