在火力發電廠中，螺栓廣泛應用于電站設備的汽缸、主汽門、調速汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭等需要緊固件連接或密封的部件上。對螺栓給以足夠大的預緊力，可以使被連接部件在運行使用期間緊密結合，保持密封，不發生泄漏[1]。 

為提高火力發電廠機組設備安全運行的可靠性，延長設備的使用壽命，發電廠按照標準DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》對電站設備定期進行金屬技術監督檢驗工作，依照標準DL/T 439—2018 《火力發電廠高溫緊固件技術導則》進行緊固件中螺栓的監督檢驗。而DL/T 439—2018標準適用于工作溫度為400 ℃以上的汽缸、汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭的螺栓、螺母和墊圈的檢驗和處理，對于工作溫度為400 ℃及以下的緊固件可參照執行。行業內對用于工作溫度400 ℃以上的汽缸、汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭的螺栓統稱為高溫螺栓[2-3]；汽輪機低壓缸結合面螺栓的使用溫度較低，有的甚至不超過100 ℃，屬于工作溫度低于400 ℃使用的螺栓，也稱低溫螺栓，因為沒有標準強制監督檢驗要求，服役后幾乎不會對汽輪機低壓缸結合面螺栓進行監督檢驗工作，一般出現斷裂或者裝卸過程發生損壞才會對其進行更換處理。一旦汽輪機低壓缸結合面螺栓發生斷裂，會導致設備漏氣，影響機組安全運行的可靠性[4]，因此對運行時間較長的低溫螺栓的質量檢驗也不能忽視。 

某電廠330 MW超臨界機組在停機檢修時，發現汽輪機低壓缸內缸結合面雙頭螺栓4顆已斷裂，且斷裂螺栓位于缸體一側，斷口形貌一致，該機組自投入運行期間未更換過該部位螺栓，累積運行時間約為6萬h。該斷裂螺栓的材料為25Cr2MoVA鋼，規格（公稱直徑×長度）為52 mm×350 mm，熱處理方式為調質處理，性能等級為8.8級，表面經精加工處理，工作溫度低于400 ℃。25Cr2MoVA鋼高溫螺栓在使用時易發生沖擊韌度和塑性下降的問題，從而導致材料發生熱脆性斷裂。筆者采用一系列理化檢驗方法對螺栓斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對斷裂螺栓進行宏觀觀察，結果如圖1所示。由圖1可知：螺栓螺紋表面基本光滑，外表面有服役過程中產生的氧化皮和紅褐色銹跡。 

圖  1  斷裂螺栓宏觀形貌

螺栓斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：螺栓斷裂于第一扣螺紋處,其斷口表面粗糙、銹蝕嚴重，與螺栓軸向垂直，斷口基本平齊, 無明顯塑性變形，呈現典型的脆性斷裂特征；斷口表面存在明顯的放射狀條紋，在放射條紋匯集的放射源區銹蝕明顯，放射擴展區面積約占斷口2/3；瞬斷區在放射源區對側，在斷口邊緣可觀察到撕裂痕跡，根據放射條紋的走向和銹蝕顏色的深淺，可以判斷螺栓的斷裂起始于接近螺紋根部的位置, 即放射源區。 

圖  2  螺栓斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

對斷裂螺栓進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學成分符合標準DL/T 439—2018的要求。 

1.3   金相檢驗

分別在斷裂螺栓斷口附近、螺紋處縱剖面取金相試樣，在靠近斷口的螺桿處縱向和橫向取金相試樣。將試樣拋光后置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：螺桿縱截面、斷裂源區附近及整個縱截面均發現非金屬夾雜物，夾雜物顆粒呈黑色，帶角呈圓形、無規則分布，心部的夾雜物比螺紋處多；在斷裂源區附近發現橫向裂紋。按照標準GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》，判斷該非金屬夾雜物等級為A2.5、D2.5級。 

圖  3  螺栓斷口附近、斷口處、螺桿處的微觀形貌

對斷裂螺栓螺紋進行縱向解剖、拋光后發現，每個螺紋齒頂的中心部位均低于周圍金屬，呈凹字形，且凹痕底端均存在裂紋，裂紋呈樹枝狀向螺栓心部擴展（見圖4）。 

圖  4  螺栓縱剖面螺紋齒頂裂紋的微觀形貌

螺栓斷口縱剖面的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可知：斷口試樣的組織為回火索氏體，組織正常；斷口附近螺紋頂部以及螺紋根部邊緣晶粒被拉長變形，均有金屬變形流線，螺紋齒頂裂紋沿流變方向擴展，裂紋前端的方向與組織的變形方向一致，螺紋頂部的組織與心部不同，螺紋頂部組織可見白亮的不完全脫碳區域，螺紋未脫碳層的高度大于1/2實際外螺紋的牙型高度，符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》對性能等級為8.8級螺栓的要求。 

圖  5  螺栓斷口縱剖面的顯微組織形貌

螺紋心部顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：螺紋心部組織為回火索氏體，可見黑色非金屬夾雜物，未見明顯黑色網狀奧氏體晶界，組織未見異常。 

圖  6  螺紋心部顯微組織形貌

1.4   力學性能測試

對斷裂螺栓進行顯微硬度測試，試驗力為0.2 kgf（1 kgf=9.8 N），測點位置如圖7所示，測試結果分別為228，270，268，265，262，268 HV0.2。螺紋頂端的硬度明顯低于螺栓心部，螺栓螺紋齒頂的組織均與心部不同，齒頂存在脫碳現象，心部組織為回火索氏體，脫碳層硬度低于心部正常組織區，顯微硬度變化與金相檢驗結果吻合。 

圖  7  螺栓顯微硬度測點位置

在螺栓斷口附近的螺桿處橫截面切取試樣，用臺式布氏硬度計對試樣進行布氏硬度測試，選用直徑為10 mm的合金壓頭, 測得螺栓的硬度平均值為244 HBW，略低于標準DL/T 439—2018的要求（248~293 HBW）。 

在螺栓上取直徑為5 mm的圓形截面試樣，按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對試樣進行拉伸試驗；在螺栓上取樣，試樣尺寸(長度×寬度×高度）為10 mm×10 mm×55 mm，缺口為夏比U型，缺口深度為2 mm，按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣進行沖擊試驗。螺栓試樣的拉伸和沖擊試驗結果如表2所示。由表2可知：螺栓的沖擊吸收能量和斷面收縮率均低于標準DL/T 439—2018的要求，其抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率均符合標準DL/T 439—2018的要求，螺栓的強度符合要求，但塑性較差。 

1.5   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

將斷口試樣進行清洗，采用SEM觀察斷口的微觀形貌，結果如圖8所示。由圖8可知：螺栓斷口表面銹蝕嚴重，斷口表面被氧化產物覆蓋，無法清楚觀察到斷裂源區的微觀形貌特征，斷口表面可見摩擦痕跡及非金屬夾雜物。對夾雜物進行能譜分析，結果顯示夾雜物主要為硫化物夾雜（見圖9）。 

圖  8  螺栓斷口SEM形貌

圖  9  夾雜物能譜分析結果

螺紋齒頂裂紋處SEM形貌及能譜分析結果如圖10所示。由圖10可知：裂紋中間存在一些灰黑色和白色的區域；裂紋外表面發現腐蝕性元素S；裂紋內部均為鐵的氧化物，無腐蝕性元素；裂紋周圍基體均為螺栓基體的主要成分。 

圖  10  螺紋齒頂裂紋處SEM形貌及能譜分析結果

2.   綜合分析

螺栓斷裂位置為螺紋與螺桿的交界處,其斷口表面粗糙、銹蝕嚴重,斷口平齊,無明顯塑性變形，呈典型的脆性斷裂特征。斷口表面存在明顯放射狀條紋，放射源區的銹蝕明顯，根據放射條紋的走向和銹蝕顏色的深淺可以判斷，螺栓的斷裂起始于接近螺紋根部位置,即第一扣螺紋處。該斷裂螺栓在應力松弛條件下工作，隨著時間的延長，螺栓受到的拉應力逐漸變小。為保證使用過程中法蘭結合面的壓力足夠大，以避免漏氣，必須對螺栓施加足夠的預緊力[5-7]。在服役過程中，螺栓自身的應力分布不均勻，其受到的預緊力是由螺栓通過螺紋逐漸傳遞給螺母的，而螺紋相當于缺口作用，若螺紋質量不好，會導致螺紋尖缺口處產生應力集中。大部分螺栓斷裂位置位于螺栓固定端工作頸與螺紋交界處或第一扣到第三扣螺紋之間，且集中在螺紋第一扣上的應力相當于承受全部載荷的50%左右[8-9]。螺栓斷裂在第一扣螺紋靠近根部處，符合一般規律性。 

斷裂螺栓的化學成分均符合相關標準要求，可以排除材料使用不當的原因。斷裂螺栓的沖擊吸收能量、斷面收縮率及布氏硬度均低于標準下限，表明螺栓的韌性較差。螺紋根部附近存在橫向微裂紋，裂紋向基體延伸擴展；螺紋頂部存在裂紋，裂紋呈樹枝狀向螺栓心部擴展，且頂部組織存在一定深度的不完全脫碳層，導致螺紋處的強度和硬度下降明顯。斷裂螺栓螺紋處組織中的晶粒被拉長變形嚴重，存在殘余應力，宏觀表現為螺紋處和心部的維氏硬度相差較大，導致螺栓根部應力集中現象加劇。 

螺栓斷口處存在較多的硫化物夾雜，非金屬夾雜物的存在會破壞金屬基體內部的連續性，導致材料產生應力集中，促進了微裂紋的萌生、擴展。螺紋頂部裂紋表面存在腐蝕性元素S，進一步促進了微裂紋的擴展。 

斷裂螺栓累計運行約6萬h，期間未更換過。在服役過程中，通過螺栓與螺母正確配合，以達到緊固效果，而螺栓外螺紋與螺母內螺紋的配合也是至關重要的，配合不當將會導致螺紋頂部承受較大的拉應力。因此不排除因螺栓配合問題引起螺紋裂紋的可能性。 

3.   結論及建議

斷裂螺栓螺紋頂部發現裂紋及存在一定深度脫碳層,降低了螺紋的強度；組織中存在較多非金屬夾雜物，破壞了基體的連續性，并導致材料產生應力集中；螺栓的塑性較差，導致螺紋應力集中的螺栓根部萌生了微裂紋，螺栓在腐蝕性環境下服役，裂紋在高應力的作用下擴展，最終導致螺栓在應力較大的第一扣螺紋處發生脆性斷裂。 

建議在對汽輪機本體進行解體檢修時，加強對汽輪機低壓缸結合面螺栓的表面質量檢查；對螺紋表面進行清洗時，若發現裂紋、損傷等情況，應及時進行更換處理；同時加強對機組鍋爐用水的質量檢測，嚴格執行相關標準，避免機組在腐蝕環境下運行，以延長設備的使用壽命。

文章來源——材料與測試網