1 机组概况及存在的问题

某厂汽轮机在点火启动过程中高压缸出现漏气，停机检查发现高压外缸南侧1根连接螺栓断裂。该螺栓直径为100 mm，长度为670 mm，材质为25Cr2MoV。25Cr2MoV钢是一种中碳-铬钼钒耐热钢，该钢除了具有较好的常温综合力学性能，还具有较好的高温力学性能，在高温紧固螺栓中得到了广泛的应用^[1-2]。为找出螺栓断裂原因，本文对断裂螺栓进行检验分析。

2 断裂螺栓检测 2.1 宏观形貌检查

对断裂的高压外缸螺栓进行宏观形貌检查，可以看出，该螺栓整体断裂为2段，断面位于螺栓与螺母配合部分的第一螺纹牙底处，断口平坦无塑性变形，断面粗糙，色泽为暗灰色，断口附近未见明显的机械损伤及腐蚀损伤等缺陷，具有较典型的脆性断裂特征，如图 1—图 2所示。

2.2 化学成分检测与分析

对断裂螺栓取样进行化学成分检测，螺栓各成分质量分数见表 1。结果表明，该螺栓各化学元素质量分数与设计材质的要求相符合^[3]。

2.3 显微组织检测与分析

在高压外缸螺栓断口附近取样进行金相显微组织检测，发现螺栓整个横断面经腐蚀剂腐蚀后，在不同角度的光线下呈现为不同色泽与光亮度的多边形颗粒斑块，螺栓低倍金相组织晶粒粗大，如图 3所示。螺栓的微观金相组织为排状回火贝氏体，晶粒尺寸不均匀，存在混晶现象，局部区域晶粒直径超过0.4 mm，晶粒度达到0级，未见明显的网状碳化物。采用饱和苦味酸溶液作为腐蚀剂时，高压外缸螺栓横截面微观组织形貌如图 4a所示；采用Nital试剂作为腐蚀剂时，高压外缸螺栓横截面微观组织形貌如图 4b所示。

2.4 力学性能检测与分析

对断裂螺栓取样进行常温（20 ℃）力学性能检测，检测结果见表 2。由表 2可以看出，螺栓的布氏硬度高于标准要求，冲击韧性远低于标准要求^[3]。

2.5 微区形貌与能谱分析

利用扫描电子显微镜（SEM）对高压外缸螺栓的断口进行检测，高压外缸螺栓断口初始断裂区沿晶断裂形貌如图 5所示，高压外缸螺栓断口扩展区SEM形貌如图 6所示。由图 5、图 6可以看出，在螺纹牙底断口的初始断裂区存在明显的“冰糖块状”沿晶断裂形貌；扩展区可以观察到明显的河流花样及少量韧窝，具有典型的准解理断裂特征。

利用能谱分析仪EDS对螺栓晶粒晶界面的化学成分进行分析，结果如图 7所示，各成分质量分数见表 3。结果表明，断裂的高压外缸螺栓晶界附近出现Pb。

3 原因分析 3.1 检测结果分析

（1）从断口形貌分析，螺栓断裂于配合部分的螺纹牙底处，该部位恰好处于螺栓的应力集中区；断口内初始断裂区为沿晶断裂，扩展区为准解理断裂，整个断口呈典型的脆性断裂特征。

（2）从能谱结果分析，断裂螺栓晶界附近Pb质量分数偏高，降低了晶界表面能，导致螺栓脆性增加。

（3）从化学成分分析，该螺栓化学成分中各元素质量分数与DL/T 439—2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》标准对25Cr2MoV材质的化学成分含量的要求相符合。

（4）从显微组织分析，螺栓局部区域晶粒粗大，这对材料的断裂韧性十分不利。

（5）从力学性能分析，该螺栓的硬度偏高，冲击韧性不足，使其在机组运行过程中承受冲击载荷的能力严重下降。

3.2 断裂原因确定

对于经正常热加工工艺制造的25Cr2MoV材质的螺栓，其组织一般为细晶状的回火索氏体组织，该类型组织的材料应具有较高的强度和较好的韧性，以便在机组运行过程中承载较高的拉伸载荷和冲击载荷。而本次断裂的高压外缸螺栓因热加工或热处理工艺不当，金相组织为排状回火贝氏体，且局部区域晶粒粗大，使得杂质元素极易在晶界偏聚，造成冲击韧性严重不足，在汽轮机启停及运行过程中不断承受拉、弯、剪切等静载荷及冲击载荷的作用，最终在螺栓与螺母配合部分的第一螺纹牙底处发生应力集中开裂^[4-6]。并以脆性方式逐渐扩展，直至整体断裂失效。

4 防范建议

为避免螺栓再次发生断裂，提出以下建议：

（1）加强对汽轮机各部位高温紧固螺栓的金属技术监督，并对其他同种材质的高温紧固螺栓进行检验排查，发现问题及时处理；

（2）对高温紧固螺栓的采购、入库和使用必须按照检验标准进行严格规范，避免使用材质不合格的螺栓；

（3）避免频繁出现极端工况，从而引发螺栓承受异常载荷和应力。