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高温高压汽缸连接螺栓松驰损伤失效机理研究

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收稿日期:2009-12-05;修订日期:2010-02-06

作者简介:章国顺(1963-),男,江西南昌人,副教授,主要从事热能动力工程和发配电技术的理论及应用研究工作。基金项目:赣电科鉴字[2002]第13号。

第28卷　第2期2010年4月江 西 科 学JIANGXI　SCIENCEVol.28No.2Apr.2010

文章编号:1001-3679(2010)02-0231-04

高温高压汽缸连接螺栓松驰损伤失效机理研究章国顺,余素珍(江西电力职业技术学院,江西　南昌330032)摘要:为确保火电厂高温高压状态下的汽缸结合面不漏气,必须对连接螺栓松驰失效进行分析。提出了火电厂高温高压汽缸连接螺栓应力松驰、蠕变损伤及其二者交互作用的特征和机理,以及松驰后的剩余弹性应力不应低于最小密封应力和应控制塑性变形量即不过大也不过早产生。关键词:高温高压;连接螺栓;松驰失效;损伤变量中图分类号:O346.5;TB302.3 文献标识码:A

ResearchARelaxationDamageFailureMechanismofBoltsConnectingHigt2temperatureandHigh2pressureCylinders

ZHANGGuo2shun,YUSu2zhen(JiangxiElectricVocationlandTechnicalCollege,JiangxiNanchang330032PRC)Abstract:Tomakesurethattheconnectingsurfacesofthermalpowerplants’cylindersunderhigh2temperatureandhigh2pressurewillnotleak,itisnecessaryforustoanalyserelaxationdamageofconnectingbolts.Thispaperputsforwardthestressrelaxationofboltsconnectinghigh2temperatureandhigh2pressurecylindersinathermalpowerplant.Creepdamageandthecharacteristicsandmechanismoftheirinteractionandthattherelaxedresidualelasticstressshouldnotbelessthanminimumsealingstressandtheplasticdeformationshouldbecontrolledneitherbignorappearingearly.Keywords:High2temperatureandhigh2pressure,Connectingbolts,Relaxationfailure,Deformation

1　高温高压汽缸连接螺栓的受力变形与松驰特征

在火电厂中,钢螺栓是汽轮机、蒸汽管道和锅炉系统上广泛使用的重要紧固零件。汽缸结合面、管道法兰、各种阀门等都用钢螺栓作为紧固连接部件。正是由于钢螺栓的紧固作用,使其所连接的每个密封结合面上产生一定压力而紧密结合,从而确保了锅炉/汽轮机机组系统在运行中不漏气,能够安全经济运行。处在高温高压下的钢螺栓,总是在应力松驰条件下工作的。正是由于螺栓的紧固作用,工作中螺栓上首先承受着防漏汽所施加的一定初始预紧弹性应力;其次承受由于高温及其变动形成温度梯度引起的温度应力和高压汽引起的拉应力;再次当加工、安装或折卸不慎造成螺栓偏心引起的弯曲应力;最后由于螺栓本身结构条件如螺纹根部性状所决定的应力集中等。在运行工况下,钢螺栓上承受的上述作用应力,将随运行时间延长而不断降低。与此同时螺栓的总变形受到约束而维持不变情况下,所产生的弹性变形随运行时间延长而减小,并由此发生了塑性变形及其逐渐增大,这种由于塑性变形逐渐增长或弹性变形与应力逐渐下降的现象,就是所谓的应力松驰。钢螺栓在松驰过程中,实验和实践证明其总应变ε不变,但弹性应变εe将逐渐转化为塑性应变εp,而且二者基本上是同时与等量发生的,如图1所示。图1　松弛过程中弹性及塑性应变与时间的关系基于图1所示的松驰特征,那么,可将松驰过程的主要条件描述为:ε=εe+εp=常数运行工作温度t=常数螺栓所承受作用应力σ≠常数(1)对于高温高压汽缸结合面钢螺栓,当已知汽轮机的运行工作温度t=540℃是一常数,螺栓在开始运行前承受一定初始预紧力作用,它产生一定的总应变ε,由这个总应变中的弹性应变εe产生的初始应力促使螺栓将上、下汽缸结合面互相压紧而不致漏汽。科学实验与生产实践充分表明,耐热钢螺栓的松驰和蠕变有密切关系,可以认为,其高温应力松驰过程就是在高温与一定应力作用条件下发生蠕变的过程,这是因为高温下该应力水平由于塑性变形的不断增加而随时降低,就如同材料在高温及一定应力作用条件下,即使该作用应力低于材料的屈服极限,也会随着时间的延续而缓慢地产生不可逆塑性变形,这就是所谓的蠕变。这实质上反映出高温下钢材在受力变形过程中,其内部晶体组织沿晶界滑移,从而引起其塑性变形随时间延续而不断增加,与此同时所产生的作用应力水平则随塑性变形不断增加而逐渐降低。因此,发生松驰与蠕变的主要原因是高温和一定作用应力条件下钢材产生了塑性变形的缘故。对于钢螺栓欲使抗松驰与蠕变性能好,其关键问题是设法控制其塑性变形既不过大也不过早产生。钢螺栓的蠕变变形过程,也可以用蠕变曲线来描述,如图2所示就是25Cr2Mo1V钢在540℃及60Mpa拉应力条件下,经历11000h测定的蠕变曲线。从图2可以看出,它较典型清晰表明,蠕变应变曲线是由瞬时弹性应变(oa段)ε0、减速弹塑性蠕应变(ab段)ε1、等速塑性蠕应变(bc)ε2

和加速塑性蠕应变(cd)ε3构成的一条光滑曲线。

它基本上可划分为3个阶段,即第Ⅰ阶段(oab):

是弹性应变为主也有少量塑性应变又是蠕变初始期,可以认为是弹性蠕变阶段;第Ⅱ阶段(bc):主要是等速塑性应变可称为等速塑性蠕变阶段;第Ⅲ阶段(cd):全部是加速塑性应变可称为加速蠕变断裂阶段。从上述3个阶段可看出,在第Ⅰ阶段其蠕变速度较大,但随着时间增长而很快减少并趋于一稳定最小值;在第Ⅱ阶段及其蠕变速度是以恒定等速进行蠕变,则bc线段近似斜直段,

可用bc线的倾角α的正切表示其稳定蠕变阶段的蠕变速度,它是整个蠕变过程速度最小的。通常所说的电力行业标准《火力发电厂金属技术监督规程》(DL438—91)中规定的蠕变速度指标,就是指第II阶段的蠕变速度,它是设计、管理和监督高温金属部件的依据。在第III阶段中蠕变是加速进行的,其蠕变速度迅速增加着直至突然陡升到d点断裂。在第III阶段所经历时间,相对于第II阶段所经历时间短得多,大约是1/3的时间,但其所产生的塑性变形却大于第Ⅰ与Ⅱ阶段之和。上述蠕变曲线的几何形状,清晰地反映出25Cr2Mo1V钢在高温高压下的蠕变特征。

图2　25Cr

2Mo1V

钢蠕变曲线

实验还证实,各种耐热钢在不同温度与应力条件下,所测得的蠕变曲线并不相同,基本上蠕变曲线几何形状是随应力大小与温度高低而发生变化的。一般规律是,当温度升高或应力增大时,蠕变过程加快进行,等速蠕变第II阶段会消失,这时蠕变只有第Ⅰ与Ⅲ阶段,耐热钢会在很短的时间内发生蠕变断裂;反之,当温度降低或应力减小时,蠕变过程延缓进行,等速蠕变第Ⅱ阶段显著增长,温度过低(小于450℃以下)或应力过小(低于10MPa以下)时,甚至不发生蠕变第Ⅲ阶段,

这时耐热钢及其零部件不会发生蠕变断裂。这也

232江　西　科　学2010年第28卷是不同的运行工况条件下,耐热钢具有不同的蠕变特征。火电厂设计、管理和监督人员,应充分了解各种耐热钢的上述基本蠕变特征,扬长避短,善于利用其蠕变特性来采取适用技术措施,大力改进锅炉/汽轮机机组正常安全经济运行的可靠度。2　受损钢螺栓内部状态的损伤力学描述 火力发电厂耐热钢螺栓,在运行工况下,长期承受高温和高压应力作用时,它处于松驰与蠕变过程中,在其钢材内部组织结构中产生各种不同程度的损伤现象。若按物理学观点从细观角度来看,松驰和蠕变损伤可看作是材料中位借、孔穴、孔洞、裂隙等不连续微缺陷的萌生和不断长大的发展结果。若按化学观点从金相角度来看,松驰和蠕变损伤则表现出一些局部区域产生碳化物MO2C或MO23C5、石墨区、形成碳化物网与球化区,构成孪晶界、挤入槽、滑移带和石墨化区等金相微观图象。若按力学观点从宏观角度来看,松驰和蠕变损伤则表现为钢材的强度、刚度、韧度、弹性、塑性、硬度和粘塑性等一系列高温和常温下宏观力学性能的降低和劣化。若按热力学观点从耗能角度来看,松驰和蠕变损伤又可认为是钢材内部组织结构的一种不可逆的耗散能量的变化过程。因此,对耐热钢螺栓进行松驰和蠕变损伤的力学分析时,应着重把因松驰和蠕变损伤所引起的宏观力学效应及其最终导致断裂破坏的演变规律提出损伤力学解决方法。耐热钢螺栓在高温和一定预紧应力作用下,随着运行时间延续其应力随时降低的同时,其产生的不可逆蠕变应变也随时增长,这种宏观力学效应反映出钢螺栓受力变形过程中,其内部萌生孔穴、孔洞和微裂纹及其扩展,从而导致螺栓的有效承载面积逐渐减小,同时在这些内部缺陷之间也发生相互作用及其应力与应变重新分布等。为了很好地反映这种长期松驰和蠕变过程中钢材受损伤状态,可以引用现代固体力学中连续损伤力学的内部状态变量来描述。考虑到钢材内部因松驰和蠕变(实质上是粘塑性状态)损伤所致的细观缺陷之数目众多、形状各异、分布不匀、强弱不等的千差万别,连续损伤力学将这类损伤所致的细观缺陷的存在与演变时的力学效应,通过引入一抽象的被称为连续损伤变量的内部状态变量来描述它。对于损伤变量D的定义,从受损伤材料介质中取出任一损伤微体元如图3所示,它是一个宏观尺度范围内的受损伤材料的损伤微体元,其尺寸足够大以致于可含大量的微缺陷,但它又十分地小,可以看作是一个材料介质点,以致于连续损伤力学的概念可以被引用。若假设被法向n规定的该单元任一截面的全面积为S,而因松驰与蠕变损伤在该面积S

内产生的受损伤面积为S

D,则可将比值D=SD/S

定义为损伤变量沿该截面法线方向的分量。若比值S

D/S与截面的方向n无关,

则此情况下的损伤

变量为一标量,属各向同性损伤问题;若比值S

D/

S与截面的方向n有关则此情况下的损伤变量具有张量性质,属各向异性问题。因此,力学中描述受损伤材料的损伤状态之损伤变量,它可以是标量、矢量、二阶张量或四阶张量等,用它来概括描述损伤性状。

图3　损伤微元体对于钢螺栓在高温和一定预紧力作用下拉伸时,主要是发生应力松驰、弹性变形转化为塑性变形引起越来越大的蠕变应变εp和萌生孔洞与微裂纹及其扩展形成滑移并伴有碳化物析出形成碳化物网状结构等,从而导致螺栓承载截面上一部分有效承载面积逐渐减小,另一部分受损面积随即增大。为了切实反映这种松驰与蠕变损伤性状,基于连续损伤力学引入有效应力概念,由图3

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20cr1mo1vtib钢制高温紧固螺栓断裂失效分析

20cr1mo1vtib钢制高温紧固螺栓断裂失效分析

n r-"PTCA (PARTA: PHYS.TEST.)量控制与失玟分析DOI ： 10.11973/lhjy-wl201911014 20Cr1Mol VTiB钢制高温紧固螺栓断裂失效分析张健、王若民s陈国宏缪春辉“2,赵骞张海1(1.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，合肥230002;2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥230601)摘要：某火力发电厂汽轮机用20CrlMolVTiB钢制高温紧固螺栓在安装时发生断裂。

通过 宏观检验、化学成分分析、金相检验、断口分析、力学性能测试等方法对螺栓断裂的原因进行了分 析。

结果表明：高温紧固螺栓材料的冶炼工艺中由于化学元素含量控制不当，导致碳含量严重超 标，造成螺栓的冲击吸收能量及塑性下降，最终促使螺栓发生断裂。

关键词:20CrlMolVTiB钢；高温紧固螺栓；断裂；化学成分；力学性能中图分类号:TG142.73 文献标志码：B 文章编号：1001-4012(2019)11-0804-04Failure Analysis on Fracture of High Temperature Fastening Bolts of20CrlMolVTiB SteelZHANG Jian1, WANG Ruoming1, CHEN Guohong12, MIAO Chunhui12, ZHAO Qian12, ZHANG Hai1(1. Anhui Xinli Electric Industry Technology Consulting Co., L td., Hefei 230002, China；2. Anhui Institute of Electric Power Science, State Grid, Hefei 230601, China)A b s t r a c t：The high temperature fastening bolts of 20Crl M ol VTiB steel for steam turbine of a thermal powerplant broke during installation. The fracture causes of bolts were analyzed by means of macro examination, chemical composition analysis, metallographic examination, fracture analysis and mechanical property test. The results show that in the smelting process of materials of the high temperature fastening bolts, the carbon content was seriously exceeded due to the improper control of the chemical elements content, resulting in the decrease of impact absorption energy and plasticity of the bolts, which eventually led to bolt fracture.K e y w o r d s：20Crl Mol VTiB steel；high temperature fastening bolt；fracture；chemical composition；mechanical property高温紧固螺栓作为火力发电机组的重要连接部 件，一旦发生断裂将导致发电机组的运行故障，特别 是用于汽轮机的高温紧固螺栓的断裂将会造成设备 损坏甚至人身伤亡事故，关系到整个机组的安全运 行。

高温螺栓断裂分析

高温螺栓断裂分析

中国科技论文在线25Cr2MoV钢高温螺栓断裂分析刘建华（中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州 221116）摘要：通过力学性能试验、金相分析及 SEM断口分析对火电厂机组气缸 25Cr2MoV钢高温紧固螺栓发生断裂进行了研究。

结果表明：该螺栓长期在高温条件下服役，其晶界会有黑色网状碳化物析出、晶界粗化，同时组织老化，承受载荷能力下降。

在停开机提速过快时，螺栓不能承受施加的偏心冲击载荷，导致其发生脆性失效。

关键词：25Cr2MoV；脆性断裂；断口分析；晶界弱化中图分类号：TG142.1The Fracture Analysis of High-temperature Blots Made of25Cr2MoV SteelLIU Jianhua(School of Material Science and Engineering,China University of Mining and Technology,JiangSu XuZhou 221116)Abstract: The fracture of high-temperature fastening blots made of 25Cr2MoV steel used onthermal power unit cylinder has been studied.Analyses on fracture with mechanical properties,metallographic examination and SEM have been carried out. The results showed that the blackmesh grain boundary carbide precipitation with 25Cr2MoV steel under long-term elevatedtemperature service, and the grain boundary coarsening.These factors contribute to grain boundaryand grain boundary weakening performance, organization of aging itself ,load bearing capacity ofthe matrix decreased. Stop the excessive speed at the start, the bolts can not withstand the impactloads imposed by the eccentric, leading to brittle failure.Keywords:25Cr2MoV; brittle fracture; fractography analysis; grain boundary weakening0引言火力发电厂锅炉、汽轮机的气缸结合面和蒸汽管道等部件广泛采用 25Cr2MoV钢高温螺栓进行紧固连接 [1]。

汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析 张跃普

汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析 张跃普

汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效分析张跃普摘要：在电厂众多设备当中，汽轮机可谓是尤为重要的一部分。

一旦汽轮机出现高压主汽门螺栓断裂或者是失效问题，将会引发不良事故，严重情况下将会对机组正常运转产生不良影响。

就当前电厂汽轮机高压主汽门螺栓发生断裂失效情况而言，原因在于主汽门螺栓基于加工制造期间，由于受到热处理工艺控制缺失的问题，进一步导致金相组织中有粗晶存在，进而在机组运行过程中，螺栓高应力的粗晶将会出现开裂而不断扩充，最终出现了主汽门螺栓断裂失效。

本文在阐述汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效试验的基础上，深入分析了现象产生的原因，以此为汽轮机高压主汽门螺栓质量的提升提供具有参考价值的建议。

关键词：汽轮机；高压主汽门；螺栓；断裂失效电厂机组在运行过程中，由于诸多原因的存在，频繁出现问题，高压主汽门的泄露可谓是尤为经常性出现的一个问题，对整个机组的正常运行具有极为不利的影响，严重的情况下会产生重大事故。

通常情况下，结合电厂所用的螺栓材质来看，主要具备的优势为：强度高、可塑性好，并且具备抗松弛性能好等优点，通常只适用于制造工作温度为570摄氏度以下的高温螺栓。

一旦处于高压情况下，将极易出现螺栓断裂失效情况，从而影响到了机组的正常运行。

鉴于此，本文对“汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效”进行深入分析具有极为重要的现实意义。

1.汽轮机高压主汽门螺栓断裂失效试验分析汽轮机高压主汽门螺栓一旦出现了螺栓断裂失效，相关人员所采取的试验，主要有五个方面的内容，分别是宏观检验、光谱分析、力学性能检验、硬度试验以及金相检验[1]。

现对其加以具体分析，具体内容如下：1.1宏观检验如下图1，为断裂螺栓外观形貌示意图，其中的断裂部位是螺栓第1个螺纹的位置。

由此可知，螺栓断裂只是部分失效。

试验人员在作业过程中，对图2（螺栓断口断面）进行认真观察，显示A区主要分布于螺栓断面外圈部位，呈现的特点为断面粗糙，同时结晶颗粒明显，可谓是裂纹源部位。

与此同时，试验人员发现A区可以显示出沿晶断裂特征[2]。

高温条件下的紧固件预紧力松弛

高温条件下的紧固件预紧力松弛

一、应力松弛钢材在高温文应力作用下，在应变量维持不变，应力随着时间的延长而逐渐下降的现象，称为应力松弛。

应力松弛试验一般采用圆柱形试样，在一定的温度下进行拉伸加载，以后随着时间的推移，由自动加载机构卸掉部分载荷以保持总变形量不变，测定应力随时间的降低值，即可绘出松弛曲线。

也可以采用具有等强度半圆环的环形试样进行松弛试验，测定环形试样缺口处宽度的变化来计算应力降低的数值并画出松弛曲线。

二、应力松弛曲线以应力和时间t为坐标的应力松弛曲线可分为两个部分，分别代表两个不同的松弛阶段。

在第Ⅰ阶段内，应力随时间的增长而急剧降低；在第Ⅱ阶段内，降低的速度减慢，最后趋于稳定。

半对数坐标(lgσ-t)的应力松弛曲线中，第Ⅱ阶段呈线性关系，因此可用以进行外推，即由较短时间的试验外推求得较长时间后的剩余应力。

受相同的试验温度和初应力F，经相同的时间后，如剩余应力越高，则材料的抗松弛性能越好。

高温工作中的零件由于存在应力松弛，会不同程度地丧失弹性和紧固作用。

因此对用于高温的紧固件如弹簧、螺栓等的材料，需要测定松弛性能。

金属材料在高温下发生应力松弛，是有一部分在初应力作用下发生的弹性变形逐渐地转化为塑性变形的成效。

松弛现象与蠕变现象有着内在的联系，都是在高温应力作用下的不断变形进程，两者的区分仅在于蠕变时应力基本恒定不变，松弛时应力则不断在下降。

三、紧固件应力松弛应力松驰发生在高温下工作的紧固件上，如汽锅、汽轮机上的螺栓、螺母、压紧弹簧等。

这些零件在持久高温文应力作用下，塑性变形增加，应力下降，当松弛到一定水平后，就会引发汽缸和阀门漏汽，平安门提早起座，影响机组正常运行，甚至发生危险。

为了避免上述现象发生，一般要求经过2×104h（两次年夜修距离）运行后，螺栓最小应力不低于最小密封应力，这个密封应力为150MPa （15.3kgf/mm2）。

为了到达这一要求，可以采用以下措施：一是选择抗松弛性能高的钢材；一是提高螺栓的预紧力。