某电厂高旁主阀密封圈螺栓断裂原因分析

    螺栓作为连接件和紧固件在电厂设备中广泛应用，但高旁密封圈螺栓由于其外形较小，通常作为零配件使用，其质量和装配问题容易被忽视。由于其作为零配件使用，容易忽视对它的技术监督以及装配，在使用前没有进行相关性能检测以及在装配时不够重视加大了此种螺栓断裂的风险。本文通过对螺栓的材质、力学性能、断口形貌以及金相组织等检测手段综合分析了螺栓断裂的原因，通过分析认为，螺栓材质不良、硬度不合格，在装配过程中螺栓的预紧力矩过大或者运行过程中螺栓过载，导致螺栓发生了韧性断裂。通过分析希望对此类外形较小、作为零配件使用的螺栓的技术监督和装配过程引起足够重视，避免发生断裂，为机组的安全运行创造有利条件。

    1 宏观以及断口检查

    2013年5月，某电厂在检修过程中，发现汽机高旁主阀密封圈螺栓全部断裂。该密封圈螺栓共8条，材质为C-422，规格为M10×35mm。据了解，断裂前，高旁温度由315℃突然升高至420℃。于是对8条断裂螺栓螺纹顶径进行了测量，断裂处螺栓螺纹顶径分别减小至约8.1mm~8.5mm，断裂处螺纹顶径数值明显减小，说明螺栓在断裂时被明显拉长而产生了明显的塑性变形。螺栓断裂前发生明显的宏观变形，这是韧性断裂的显著特征。

    断裂螺栓的宏观断口颜色呈暗灰色，断口不平整，靠近断口中心凸起，沿螺纹根部有剪切唇，断口形状呈锥杯状。断口的宏观特征符合韧性断口特征，断口形貌如图1所示。

图1 断裂螺栓断口

    2 材质以及硬度检测

    采用NitonXL3T合金分析仪对断裂螺栓中的合金成分含量进行测定，依据标准DL/T439-2006合金成分含量规定，螺栓中Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu均符合标准要求，但未检测到W元素，与标准规定的W含量范围0.90~1.25%不符。在台式布洛维硬度仪上，对断裂螺栓横截面硬度进行检测，发现8条断裂螺栓硬度值在240~255HB，依据标准DL/T439-2006规定，C-422材料螺栓硬度值范围应为277~331HB，因此，初步判定断裂螺栓硬度值不符合标准规定，硬度不合格。

    3 微观检查

    从8条断裂螺栓中抽取两条编号为#1、2，沿横截面将试样切开进行微观分析，断裂试样横切面夹杂物照片见图2、3，按GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》评级为3级。

图2 #1断裂试样横切面夹杂物形貌        图3 #2断裂试样横切面夹杂物形貌

    #1、2断裂试样横切面金相照片见图4、5，两个断裂试样的横切面组织均为回火索氏体组织。

图4 #1断裂试样横切面组织形貌

图5 #2断裂试样横切面组织形貌

    #1、2断裂试样纵切面靠近断口处金相照片见照片6、7，组织为回火索氏体，但已明显发现塑性变形，组织被拉长。

图6 #1断裂试样纵切面组织形貌

图7 #2断裂试样纵切面组织形貌

    4 原因分析

    综上原因，我们对此进行了分析：

    （1）从宏观尺寸、宏观断口以及微观断口边缘组织有明显塑性变形来看，断裂属于韧性断裂。

    （2）经材料合金分析，材质与设计的C-422标准不符，管材中基本上无W元素，降低了材料的长时高温性能。

    （3）此材料的硬度值低于标准规定的下限值。

    （4）微观上螺栓的组织为回火索氏体，组织正常；材料的冶金夹杂缺陷较多，会降低材料的强度和塑性。

    （5）螺栓的预紧力矩过大或者运行过程中螺栓过载，都会导致螺栓应力超过其屈服强度，造成螺栓韧性断裂。

    5 结束语

    综合各项试验结果认为高旁主阀平衡密封圈固定螺栓断裂原因为：

    （1）材料的合金成分与标准要求不符、硬度不合格；

    （2）装配过程中螺栓的预紧力矩过大或者运行过程中螺栓忽然过载造成韧性断裂。

    综合以上断裂的原因，建议对新更换螺栓进行材质和硬度抽检，并注意在装配过程中避免预紧力矩过大或者运行过程中工况的突变。