汽轮机中压主汽阀783螺栓断裂原因及防范措施

汽轮机中压主汽阀783螺栓断裂原因及防范措施

王晓文1

（博贺能源公司，广东 茂名 525000）

摘要：博贺能源公司1、2号汽轮机中压汽门螺栓全部为进口原材料国内加工生产的783材质螺栓。该材质螺栓拆卸和回装过程中，要求严格执行上海汽轮机厂关于783螺栓拆装的工艺操作要求，使用力矩扳手，应采取措施避免螺栓发生碰撞，螺栓拆装过程中严禁使用大锤敲击等不规范操作方式，螺母拆解过程应该适当加热，不应暴力拆解。螺栓伸长量测量应安排有经验的施工单位专人负责，防止因伸长量超标发生脆性断裂[1]。安装前对螺栓及螺塞进行仔细检查清洁，不允许有肉眼可见颗粒物及油迹残留物，涂抹的高温防咬剂不得含有S、Cl的化学成分，防咬剂允许使用温度需＞650℃。

关键词：783材质螺栓；伸长量；热紧；预紧力；脆性断裂

中图分类号：TK266

0  引言

    Alloy783合金是上世纪90年代初美国SMC公司开发的新一代低膨胀、抗氧化Fe-Ni-Co基高温合金，即Inconel783，该合金国标称为GH6783。它具有强度高、线膨胀系数低、优良的抗氧化性等优点。2006年，上海汽轮机厂引进西门子技术生产1000MW超超临界机组，中压汽门阀盖螺栓首次应用了783材料，应用单位为华能玉环电厂1、2号机组（全进口）、上海外高桥第三发电厂7号机组（1000MW，2008年投产）。自此之后上汽厂对783螺栓进行国产化，并全面应用于超超临界机组，采用国产化783螺栓后，发生过多起中压汽门阀盖螺栓断裂事件。为此，国家能源局及广东能源集团公司先后印发了《国家能源局综合司关于开展引进型机组设备隐患排查治理工作的通知》（国能综安全〔2016〕229号）、《粤电集团公司关于认真做好上海电气超超临界机组再热汽门783螺栓安全治理工作的通知》（粤电安生〔2017〕168号）等文件要求开展专项治理工作，博贺能源公司与上海汽轮机厂协商于2018年将1、2号汽轮机中压汽门螺栓全部更换为进口原材料国内加工生产的783螺栓。 

1  博贺能源公司汽轮机组简介

博贺能源公司一期（2×1000MW）超超临界燃煤发电机组，于2020年11月全部建成投产，机组采用“超低排放”环保技术，同步建设烟气脱硫、脱硝、废水回收综合利用等环保设施。汽轮机采用上汽集团引进西门子技术，型号为N1000-27/600/610（TC4F），型式是超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机、采用八级回热抽汽。汽轮机本体采用西门子公司开发的三个最大功率可达到1100MW等级的HMN型积木块组合：一个单流圆筒型H30-100高压缸，一个双流M30-100中压缸，两个N30-2×12.5双流低压缸。     

2  博贺能源公司中压主汽阀螺栓断裂事故简要过程

2022年6月8日，检修单位开始根据厂家相关图纸资料及检修作业文件包对2号机A、B侧中压主汽门进行回装，冷紧力矩及热紧螺母旋转角度按783螺栓安装工艺说明进行，根据《上汽超超临界机组阀门783材料螺栓电加热拆装操作规程》，有关技术要求如表1所示。

表1  783材料螺栓电加热拆装力矩、伸长量技术指标

检修单位对A侧中压主汽门按照1300N.m进行冷紧，均匀紧固三圈，测量阀盖间隙小于0.02mm，然后使用加热棒进行热紧，热紧弧长为23.8mm（罩螺母直径130mm，按螺母旋转角度21°换算得出相应弧长）。根据调查情况，检修单位在安装螺栓过程中，有使用大锤和敲击板手进行敲击紧固的行为。

6月10日，2号机组A、B侧中压主汽门、调节汽门解体后回装完成。6月10日17时30分左右，进行回装油动机过程中，检修人员发现2号机组A侧中压主汽门阀盖螺栓断裂3根（自编号为A19、20、21），断裂3根螺栓并排排列，断裂位置靠中压缸侧。

检修人员发现异常问题后立即汇报，并立即组织开展分析及处理。

2.1  安装数据记录

查A侧中压汽门回装完成后，对螺栓伸长量进行了测量，具体数据如表2所示（标粗为断裂螺栓）。

表2  A侧中主阀盖螺栓伸长量

螺栓的伸长量为热紧完成以后，螺栓完全冷却至室温，清洁螺栓加热孔，再次用测量工具测量热紧后加热孔深度，并记录，与冷紧前螺栓的长度相减，即得到螺栓的伸长量。根据操作规程，如伸长量与要求不符，应按照经验公式进行修正，热松螺栓，回调旋转角度，公式如下图1所示。

图1  螺栓伸长量经验修正公式

在阀盖螺栓伸长量测量表中，断裂螺栓伸长量比标准值大10丝，此时还未进行热紧后的修正工艺流程。

2.2  扩大检查及复装情况

（1）中压汽门螺栓断裂发生后，A修指挥部根据专题分析会建议，决定对A、B侧中压主汽门、调门进行再次解体全面检测螺栓情况。情况如下：A侧中压主汽门螺栓编号A19、A20、A21断裂，螺栓编号A2、A6无法拆出，采用钻取方式取出，螺栓编号A7金检不合格，经渗透检测在第2螺牙与第3螺牙之间存在表面裂纹；B侧中压主汽门螺栓编号B3金检不合格，经渗透检测螺牙存在表面裂纹[2]；检测A、B侧中压调门螺栓未发现异常。总共更换7根中压主汽门螺栓。

（2）重新复装时，安排金检人员按照《上汽厂GH783在役螺栓检查技术规范》对所有螺栓进行检测合格后，按照《超超临界机组阀门783材料螺栓电加热拆装操作规程》回装螺栓，回装过程监理及设备部安排专人旁站监督，安装完成后测量螺栓伸长量在要求值范围内。

（3）查基建期对更换的783螺栓金属检测记录，超声检测未发现超标缺陷，光谱检测材质符合Alloy-783化学成份，硬度符合Alloy-783标准硬度值范围，金相组织为组织为奥氏体+β相，在标准规定范围之内。

查2号机A修期间金检单位当时的检测记录，超声检测未发现超标缺陷，光谱检测材质符合ALLOY-783化学成份，硬度符合Alloy-783标准硬度值范围，金相组织为组织为奥氏体+β相，在标准规定范围之内。

3  螺栓外送检测情况

为查找分析螺栓断裂的原因，博贺能源公司断裂螺栓及存表面裂纹未断裂螺栓分别送上海汽轮机厂及广东电研锅炉压力容器检验中心有限公司进行失效分析。

3.1  上海汽轮机厂对断裂A21号螺栓的检测分析报告

对高温服役后的螺栓进行了金相、硬度、化学成分、室温拉伸、高温拉伸、高温持久强度试验以及扫描电镜观察等分析，螺栓材料的各项力学性能结果与原始质保书数据相比：服役后室温强度和硬度有一些升高，断后伸长率、断面收缩有一些降低；高温强度基本不变，断后伸长有一些降低，断面收缩率和服役前相当；高温持久断后伸长率和断面收缩率略有降低，持续时间与服役前相当，与质保书数据相比，该螺栓部分塑性指标有所降低，但各项性能均符合 SQMMP25.06.01-01 规范要求，且性能数据正常；扫描电镜结果表明，裂纹源附近未发现明显机加工或磕碰缺陷，也未发现明显氧化层形貌，断口扩展区和瞬断区断口表面来发现明显氧化层形貌,扩展区的断裂形式为穿晶和沿晶混合断裂形式，瞬断区的断裂形式以穿晶断裂形式为主，因此判断A21号螺栓断裂的主要原因为安装预紧力过大，导致螺栓在螺牙底部应力集中处萌生裂纹、扩展并最后发生断裂[3]。

3.2  广东电研锅炉压力容器检验中心对A19号螺栓的检测报告

（1）断口宏观分析结果表明，断裂部位介于第一个螺牙与第三个螺牙之间，该部位为螺栓紧固后受力较大的位置。断口处螺栓未见塑性变形，整个断口齐平，呈明显脆性断裂特征。螺栓中心孔完好无损，两个断裂面均未发现中心孔存在被加热棒烧损的现象。宏观形貌显示，此次断裂失效裂纹起源于螺牙根部，沿螺牙根部向两侧延伸，并逐渐向心部扩展，前期裂纹往内部扩展速度较慢，后期扩展裂纹呈放射状并快速扩展，最后发生瞬间断裂，断裂处存在剪切唇，且裂纹扩展区和瞬断区为新鲜断面。编号 A7 螺栓螺牙部位渗透检测结果表明， 渗透结果可以看到介与第二个螺牙与第三个螺牙之间的部位存在表面裂纹，且裂纹显示起源于螺牙根部，同样沿螺牙方向延伸。

（2）化学成分分析结果表明螺栓的化学元素成分均符合783螺栓标准要求，可排除螺栓材料用错的影响。

（3）室温拉伸试验结果表明断裂螺栓的室温拉伸性能符合标准要求，未见室温性能下降。

（4）硬度试验结果表明，布氏硬度试验结果略高于DL/T439-2019 标准要求，但符合上海电气对 GH6783 布氏硬度技术要求。

（5）金相组织结果表明，裂纹源起始于螺牙根部，属于螺纹应力集中的部位。金相组织为奥氏体γ基体组织，未见存在黑色网状奥氏体晶界金相组织，晶界、晶内弥散分布着β相和γ´相，但局部存在较多条带状β相沿晶或穿晶分布，表明存在一定成分偏析，降低β相的固溶强化效果。

（6）断口 SEM 形貌分析结果表明， 与金相组织分析结果一致，裂纹源起始于螺牙根部，且呈现疲劳贝纹线；裂纹扩展过程中主要沿晶断裂，伴随着二次裂纹；由于最终的剪切撕裂，瞬断区断裂面呈韧窝状，也存在二次裂纹；对室温拉伸、冲击试样断口SEM形貌结果表明，断口较平整，均呈塑性韧窝及沿晶断裂复合型断裂。

综合以上分析，判定螺栓断裂事件可排除材质用错的原因；结合送检断裂螺栓的室温拉伸试验、硬度试验可知该断裂螺栓室温力学性能仍符合要求；指出GH6783材质以Co-Ni-Fe 为基体，添加Nb、Al、Cr等元素用于提高强度和抗氧化性能的低膨胀高温合金。作为火力发电厂高温紧固件，该材质具有拉伸强度和持久强度非常高、抗高温氧化性能好、膨胀系数低等优点；同时，该材质螺栓在安装、拆卸过程中对于紧固力矩大小、螺栓伸长量、螺栓和螺母螺牙外表面、加热棒和加温度、防咬剂不含S、Cl化学成分、螺栓螺牙和中心孔表面无表面裂纹、腐蚀现象等均有严格要求，尤其不允许按传统螺栓拆装方法使用大锤敲击或冷态下暴力施工。结合金属分析，判定中压主汽门螺栓发生断裂失效的原因是因为螺栓受到了较大预紧力，同时在安装调试、机组启停及运行过程中受到了振动、交变热应力，导致在应力集中的螺纹根部产生了疲劳裂纹，金相组织局部存在较多条带状β相沿晶或穿晶分布，β相的固溶强化效果降低。裂纹易于在应力作用下向螺栓中心扩展和积累，最终在这次检修拆解、安装过程中强大扭转剪切力作用力下发生了脆性断裂。

4  检修施工作业原因分析及防范措施

4.1  本次中压主汽门螺栓断裂的施工作业原因

（1）中压主汽门螺栓受到了较大预紧力，同时在安装调试、机组启停及运行过程中受到了振动、交变热应力，导致在应力集中的螺纹根部产生了疲劳裂纹，金相组织局部存在较多条带状β相沿晶或穿晶分布，β相的固溶强化效果降低，裂纹易于在应力作用下向螺栓中心扩展和积累，最终在这次检修拆解、安装过程中强大扭转剪切力作用力下发生了脆性断裂，这是本次中压主汽门螺栓断裂的直接原因。

（2）检修单位广东火电拓奇电力技术发展有限公司在中压主汽门复装过程中未严格按照上海汽轮机厂最新的783螺栓安装工艺流程进行，从热紧后螺栓伸长量比标准值大可以反映，检修单位存在冷紧力矩偏大或热紧时螺母旋转角度有偏差，造成总伸长量过大是本次中压主汽门螺栓断裂事件的主要原因。

（3）检修单位广东火电拓奇电力技术发展有限公司在中压主汽门复装过程冷紧时，拓奇人员按传统方法使用大锤及敲击板手进行敲击回装，是造成螺栓预紧力过大的重要原因。

（4）上海汽轮机厂的783螺栓由于材质结构的特殊原因，在使用中硬度变大，脆性变强，使安装过程难度增大，是主汽门螺栓断裂事件的内在影响。

4.2  检修施工过程中的防范措施

（1）严格按照上汽厂783螺栓安装说明要求进行施工，螺栓伸长量测量应安排有经验的施工单位专人负责，设备部全程跟踪螺栓拆卸和螺栓伸长量测量过程。

（2）安装前对螺栓及螺塞进行仔细检查清洁，不允许有肉眼可见颗粒物及油迹残留物，涂抹的高温防咬剂不得含有S、Cl的化学成分，防咬剂允许使用温度需＞650℃。

（3）螺栓拆卸和回装过程中，严格执行检修文件包及上海汽轮机厂关于783螺栓拆装的工艺操作要求，使用力矩扳手，应采取措施避免螺栓发生碰撞，螺栓拆装过程中严禁使用大锤敲击等不规范操作方式，螺母拆解过程应该适当加热，不应在状态下暴力拆解。

（4）在保证阀盖与阀体密封间隙的条件下，尽可能降低螺栓预紧力。热紧时，旋转弧长按下限进行旋转角度弧长。

（5）在解体后，对783螺栓进行目视检查、超声波探伤、着色检查、硬度检查等，确保783螺栓在解体后和回装前螺栓合格。

（6）修订细化检修作业文件包，把上汽对783螺栓拆装及加热的操作工艺流程和各项指标要求细化到检修文件包，并装关键要求进行突显标示引起检修人员的专门注意。

5  总结

GH6783材质螺栓作为火力发电厂高温紧固件，该材质具有拉伸强度和持久强度非常高、抗高温氧化性能好、膨胀系数低等优点；同时，该材质螺栓在安装、拆卸过程中对于紧固力矩大小、螺栓伸长量、螺栓和螺母螺牙外表面、加热棒和加温度、防咬剂不含S、Cl化学成分、螺栓螺牙和中心孔表面无表面裂纹、腐蚀现象等均有严格要求，尤其不允许按传统螺栓拆装方法使用大锤敲击或冷态下暴力施工。必须严格按照GH6783材质螺栓安装说明要求进行施工，螺栓伸长量测量应安排有经验的施工单位专人负责，全程跟踪螺栓拆卸和螺栓伸长量测量，防止因较大预紧力、交变热应力、剪切力共同作用发生脆性断裂。

[参考文献]

[1]贾若飞，李梁，秦承鹏.某1000MW超超临界机组汽轮机IN783螺栓断裂失效分析[J].

汽轮机技术，2019，61（1）：78-80.

[2]曹云峰，田尉建，花喜阳，等.超超临界火电机组Inconel 783螺栓的超声检测[J].无

损检测，2021，43（6）：62-65.

[3] 沈士一，庄贺庆，庞立云，等.汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，1992：258-262.

收稿日期：2023-12-2

作者简介：王晓文（1973-），男，山西人，工程师，研究方向：热能动力。