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0 前言
1997年5月13日秦皇岛热电厂3号汽轮机(N300-16.7/538/538型)，首次大修于高压缸解体时，发现内缸结合面螺栓断裂3条。进一步检查，又发现有5条螺栓有裂纹。断裂螺栓数量占内缸结合面螺栓总数50%。此时螺栓累计服役仅10 506 h，机组启停32次。
鉴于螺栓大量断裂的严重性，于是对同型号的4号机组于1997年9月25日小修时也进行开缸检查，结果发现高压内缸结合面有5条螺栓也存在裂纹，同时发现高压静叶持环螺栓也断裂3条。此时，机组累计运行仅8 533 h，启停仅39次。
有鉴于此，电厂不得不缩短机组检修周期，于1997年12月、1998年4月又分别对4号、3号机组进行揭缸检查，结果发现螺栓又断、裂13条。距前次揭缸检查仅1 497 h(4号机组)和6 297 h(3号机组)。在不到2 a的时间里2台机组汽缸螺栓断裂达29条之多，仅更换这些螺栓就耗资55万元。
为查找螺栓断裂原因，对部分断、裂螺栓做了金属观察试验，并比较了同批备件和同一厂家生产的同类螺栓的检查结果，进行了简要分析，认为螺栓断、裂主要系制造质量不良所致。鉴于一些电厂的新机组也存在同样问题，因此提出相应的质量改进和监督的建议，希望能对其它电厂的此类螺栓金属安全监督工作有些参考借鉴作用。
1 金属检验
断裂螺栓金属牌号为GH4145/SQ，系高温镍基合金。3、4号机组共8个部位装用此牌号螺栓计23种规格，542条。高、中压缸螺栓断裂情况见表1。
表1 螺栓断裂位置及分类
类别
断裂位置
螺栓名称
螺栓编号
合计
1
螺母支撑
面齐平处
螺纹底部
3号机
高压内缸
A4 A6 A7 B1 B6
5
4
号
机
高压内缸
B1 A8
2
高压静叶持环
B4
1
高压平衡活塞环
B12
1
2
栽丝侧螺
纹底部
3号机
高压内缸
A1
1
3
缸体结合
面上下各
100 mm间
螺杆部位
3号机
中压内缸
A1 B1 B2
3
4
号
机
高压内缸
A1
1
中压内缸
A1 A2 B1 B2
4
高压静叶持环
A8
1
其它螺
杆部位
4
号
机
高压内缸
A2
1
中压内缸
A3
1
高压静叶持环
A4 A5 A6
3
高压平衡活塞环
A13
1
4
纵裂纹或纵
横混合型
3号机
高压内缸
A8 B4
2
新备件
高压平衡活塞环
φ65×420螺栓纵裂纹7条
1
5
顶端内孔
R处横裂
4号机
高压内缸
A3 B2
2
持环A5螺栓断裂在无螺纹的光杆部位，裂纹始于外表面，其它也略同A6螺栓。
1998年4月从原生产厂家购进的φ65×420规格定位螺栓到货检验，发现螺栓定位处表面分布着长短不一的纵向裂纹7条，最长的达40余毫米。
表2的断裂螺栓有半数断裂于无螺纹的光杆部位，裂纹均始于外表面。多数螺栓裂纹呈多源性。裂纹长度5～150 mm或圆周开裂不等。
1.2 元素成分分析
为验证螺栓元素成分，用英产1650型光电直读光谱仪对运行过的已断、未断螺栓和随机备件及3次从原制造厂家购进的螺栓650余件进行了分析，镍、铬、铝、钛、铌、铁等主加合金元素含量基本符合“Q/YB04133-90Y”标准规定。
与此同时，还由制造厂家对3号机A4断裂螺栓的元素成分进行了化学分析，其结果也在标准规定的范围。
1.3 机械性能试验
1.3.1 硬度检验
制造厂40.46-91标准中对GH4145/SQ高温镍基合金的硬度规定范围较宽，其值为262～331 HB。经对各规格的服役件、随机备件、断裂及新购件计630余条螺栓进行检测，其结果均符合标准规定。
1.3.2 拉伸、冲击试验
选3号机高压内缸结合面M85×850规格B6号裂纹螺栓做常温、高温拉伸试验和冲击试验。高温试验委托国家钢铁材料测试中心完成。结果见表2。
表2 B6螺栓的机械性能
试验
温度
/℃
σ0.2/MPa
σb/MPa
σ5/%
Ψ/%
ak/
J.cm-2
标准
检验值
标准
检验值
标准
检验值
标准
检验值
20
≥550
675
≥1 000
1 173
≥12
24.7
≥18
30.3
101
350
610
1 018
1 027
23.0
19.0
36.7
15.0
86.3
540
554
625
986
1 043
19.3
15.7
28.4
12.3
84.3
1.4 金相检验
选最早发现断裂的有代表性的3号机高压内缸M85×850的A6、A7、B6，100×960的A8 4条大直径螺栓和4号机静叶持环38×305规格及新购有纵向裂纹的65×420 2条小直径螺栓，取样做金相组织和裂纹形态的观察，并对比了尚未使用的M85×850规格新螺栓的抽样检验结果。发现：(1)晶粒度大小不均。最大晶粒可达-3级，最小6～7级；近螺栓外表面晶粒较小，近中心部位晶粒粗大。(2)晶界有大量析出相聚集。无论是大直径、小直径、已断裂或未断裂螺栓均有不同程度的物相在晶界聚集。(3)裂纹沿晶界扩展，裂纹的形态大致分为2种：①裂纹起始于外表面，沿晶界向内部或两侧扩展，。②裂纹距螺栓外表面尚有一定距离，沿晶开裂。
1.5 断口扫描与x射线能谱分析
为观察螺栓断裂性质和微观断口形貌，冶金部钢铁研究总院用JSM6400型扫描电镜对3号机高压内缸断裂螺栓进行观察，发现晶粒大小不均，断面皆为沿晶断口。
为进一步探索螺栓断裂与微量元素的关系，在进行断口观察时用exl-x射线能谱仪对A6、B6、A7螺栓断口及裂纹处进行定量分析，其结果为螺栓金属元素总量符合有关标准，螺栓断裂与螺栓材料总的成分含量无关。
1.6 螺栓紧固应力核算
为了查明螺栓紧固方法、预紧应力对螺栓断裂的影响，进行了现场调查和螺栓紧固应力核算。
按设备说明书要求，螺栓冷紧后即行加热螺栓，然后以拧转螺母方式热紧。以M85×850螺栓为例，说明书要求冷紧力矩为90 kg*m，热紧要求拧转263°，安装图纸要求拧转220°。经计算，按前者要求热预紧力约为499 MPa；按后者要求热预紧力约为418 MPa。
经调查，现场实际操作是按后者热预紧要求进行。其热紧值与螺栓断裂后制造厂家提供的中分面螺栓紧固的补充说明中修改的热紧数值相比较，约高42 MPa。
2 检测结果分析
2.1对螺栓及断口宏观观察，部分已服役螺栓存在表面裂纹，新备品螺栓同样也存在裂纹甚至存在纵向裂纹。导致螺栓断裂的缺陷在螺栓服役前就存在了。从部分螺栓断裂于非应力集中的光杆部位而不是通常的存在应力集中的螺纹根部更可证明此点。
2.2 从光谱和化学分析结果看，螺栓金属元素总量符合有关标准。螺栓断裂与螺栓材料总的成分含量无关。
2.3 从机械性能试验结果可知螺栓金属硬度——强度充足，只是高温塑性、韧性明显降低。表明螺栓中存在高温时可致金属塑性、韧性下降的不良因素(如：晶界存在低熔点硫化物或微裂纹等)。
2.4 通过光学金相观察，螺栓晶粒度表里不均，内部晶粒粗大，严重超标。部分晶界存在大量的聚集物相，有的还呈网状，个别地方由于聚集物甚多，且由于这些聚集物机械性能甚低，几乎使晶界等同裂纹(图5)。所以，裂纹沿此类晶界发展，因此扫描电镜观察结果“全断面皆为沿晶断口”。
2.5 从对螺栓金属断口和裂纹的x射线能谱分析结果可知，螺栓金属晶界存在大量(而且多种)杂质元素。从A6螺栓沿晶断裂裂纹起始处的分析结果可见，该处仅硫含量即达1.985%，接近正常允许含量200倍，有的甚至达到500倍。
众所周知，硫在固溶体中溶解度很小(尤其在含镍高的γ固溶体中)，所以在金属凝固过程中，硫将向未凝固的液体部分富集，直到在最后凝固部位形成低熔点硫化物及与其它金属形成熔点更低的共晶体夹杂。因此在锻轧加热时容易过热、过烧，以致锻轧时就产生裂纹。这种偏析于晶界上的夹杂物，在锻轧时将沿锻轧拔长方向成条带分布或在继续锻轧过程中形成纵向裂纹(亦即螺栓出现纵向裂纹的唯一原因)。这种杂质的沿晶界偏析不仅在坯材锻轧时易于开裂，而且由于强度极低，也为金属部件在服役过程中产生晶间裂纹，从而发生部件开裂提供了条件。扫描电镜观察结果为“全断面皆为沿晶断口”，即更证明此点。
2.6 从螺栓紧固应力核算结果与制造厂家修改后数据相比可知，螺栓预紧应力值偏大。
3 结束语
基于以上分析结果建议制造厂加强各生产阶段及成品的质量检验；使用部门须在安装前进行复检，发现问题及早采取措施进行更换。
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