深度调峰机组高压螺栓断裂原因分析与预防对策_刘婉婷.pdf

深度调峰机组高压螺栓断裂原因分析与预防对策刘婉婷1,王 泽1,周 钢2,崔 伦1,武志威1,李一木1(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,长春 1 3 0 0 2 1;2.国家电投吉林电力股份有限公司吉林松花江热电有限公司,吉林 吉林 1 3 2 0 0 0)摘 要:针对机组在深度调峰工况下高压主蒸汽阀门、高压调节蒸汽阀门螺栓大面积断裂问题,通过宏观检查、光谱分析、金相分析、硬度检测、扫描电子显微镜分析等相关试验,分析了螺栓断裂原因。得出机组深度调峰带来的载荷波动使螺栓承受交变应力导致疲劳断裂的结论,提出了检修对策和预防措施,以保证调峰机组的安全运行,为新能源消纳提供保障。关键词:深度调峰机组;高压螺栓;疲劳失效;金属试验中图分类号:T K 2 6 8;T G 1 1 5 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 5 3-0 4C a u s eA n a l y s i sa n dP r e v e n t i v eM e a s u r e so fH i g hP r e s s u r eB o l tF r a c t u r eo fD e e pP e a kS h a v i n gU n i tL I U W a n t i n g1,WANGZ e1,Z HOUG a n g2,C U IL u n1,WUZ h i w e i1,L IY i m u1(1.S t a t eG r i dJ i l i nE l e c t r i cP o w e rC o m p a n yL i m i t e dE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h a n g c h u n1 3 0 0 2 1,C h i n a;2.S P I CJ i l i nE l e c t r i cP o w e rC o m p a n yL i m i t e dJ i l i nS o n g h u a j i a n gT h e r m a lP o w e rC o m p a n yL i m i t e d,J i l i n1 3 2 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mo f l a r g e-a r e a f r a c t u r e o f b o l t s o f h i g h-p r e s s u r em a i ns t e a mv a l v e a n dh i g h-p r e s s u r e r e g u l a t i n g s t e a mv a l v eu n d e rt h ec o n d i t i o no fd e e pp e a ks h a v i n g.T h ec a u s e so fb o l tf r a c t u r ew e r ea n a l y z e dt h r o u g hm a c r oi n s p e c t i o n,s p e c t r a la n a l y s i s,m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s,h a r d n e s s t e s t,s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e a n a l y s i s a n do t h e r r e l a t e d t e s t s.I t i s c o n c l u d e d t h a tt h e l o a df l u c t u a t i o nc a u s e db yt h ed e e pp e a ks h a v i n go ft h eu n i tm a k e st h eb o l t sb e a rt h ea l t e r n a t i n gs t r e s sa n dl e a dt of a t i g u ef r a c t u r e.T h em a i n t e n a n c ec o u n t e r m e a s u r e sa n dp r e v e n t i v em e a s u r e sa r ep u tf o r w a r dt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h ep e a ks h a v i n gu n i t a n dp r o v i d eg u a r a n t e e f o r t h ec o n s u m p t i o no fn e we n e r g y.K e yw o r d s:d e e pp e a ks h a v i n gu n i t;h i g hp r e s s u r eb o l t;f a t i g u e f a i l u r e;m e t a l t e s t基金项目:吉林省电力科学研究院有限公司科技项目(KY-G S-1 8-0 1-0 2)。收稿时间:2 0 2 2-1 0-1 9作者简介:刘婉婷(1 9 9 2),女,工程师,从事金属检测及金属构件失效分析工作。0 引言随着光伏、风电、水电等新能源入网比例的不断增加,吉林省火力发电机组参与深度调峰的程度不断提高。传统火电机组是按照设计参数运行,深度调峰机组则大幅度偏离了设计参数运行,大型机组频繁启停、长期低负荷运行,快速升降负荷,对金属部件带来很大的损伤。随着调峰时间的增加,对汽轮机侧金属部件的影响也逐渐显现出来。近几年在火电机组的监督检验中,发现高温紧固件特别是高压主蒸汽阀门(以下简称主汽门)和高压调节蒸汽阀门(以下简称调节汽门)螺栓出现断裂的数量不断增加。这类螺栓承受着汽机侧的高温、高压和汽缸振动,负荷的波动也会对其产生影响,容易引发疲劳开裂,此外材质不良或者老化、加工原始缺陷等都是引发失效的原因1-5。本文结合吉林省某深度调峰机组的紧固螺栓失效问题,通过开展系列分析,明确了原因并提出了基于传统检修工艺之上的预防检修对策,确保调峰机组的安全稳定运行,为新能源消纳提供保障。1 螺栓断裂过程及相关试验2 0 2 0年8月2 1日1 7:2 0:0 0,某3 5 0MW调峰机组负荷2 8 0MW,进汽量9 5 9 t/h,4号机主蒸汽压力1 4.9 MP a,温 度5 3 5;再 热 蒸 汽 压 力2.4 7MP a,温度5 3 0;真空-8 9.9k P a,A、B、C、D、E磨煤机运行,总燃料量2 1 7t/h。1 7:3 3:0 0,435第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.012号机1号高压联合汽门处有异常漏汽声音,经检查4号高压调节阀门盖法兰位置漏汽。将负荷从2 8 0MW减至2 0 0MW,主蒸汽压力由1 4.9 MP a降至1 1.0MP a。停机后检查4号高压调节阀发现1 4根螺栓断裂。为分析该调峰机组螺栓失效原因,选取典型的断裂螺栓进行了如下相关试验:1)宏观检查:对断口进行观察,判断断口性质,初步分析失效原因;2)光谱分析:采用N I T ONX L t 8 9 8 w的合金分析仪,分析螺栓成分是否符合设计要求;3)金相分析:在螺栓断口附近取样,用4%硝酸酒精溶液侵蚀3 0s,观察螺栓的金相组织是否存在过热、老化、夹杂物等缺陷;4)硬度检测:按照G B/T1 7 3 4 9.12 0 1 4 金属材料 里氏硬度试验第1部分:试验方法,采用型号为HT 2 0 0 0 A的里氏硬度计对断裂的主汽螺栓和高压调节门螺栓试样进行硬度试验,判断硬度是否符合标准;5)扫 描 电 子 显 微 镜(s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e,S EM)与能谱分析仪(e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y,E D S)分 析:使 用Z E I S S S EM和O X F O R D E D S对螺栓断口S EM观察和微区成分分析,进一步观察其断口形貌和断口微区产物成分。2 试验结果2.1 宏观检查结果图1(a)是断裂的高压主蒸汽螺栓断口的宏观形貌,可以观察到很多弧状台阶,由此可以推断螺栓的断裂为疲劳引起,另外在断口的部分表面观察到一层蓝灰色的氧化膜。图1(b)是断裂的高压调节门螺栓断口的宏观形貌,可以清楚地观察到疲劳贝纹,通过疲劳贝纹扩展方向的分析,可以判断出破坏起源的位置。图1 螺栓断口宏观形貌2.2 光谱分析结果螺栓材质为2 0 C r 1 M o 1 VT i B-I V,通过多次分析取平均值,螺栓的主要合金元素含量分析结果见表1,主要元素符合D L/T4 3 92 0 1 8 火力发电厂高温紧固件技术导则 中规定的数值。2.3 金相分析结果在断裂螺栓断口附近做金相分析,抛光后侵蚀,在P T I 2 0 0 0显微镜下观察侵蚀后螺栓的金相试样,螺栓的显微组织形貌见图2,螺栓的基体组织均为表1 断裂螺栓光谱分析结果单位:%项目w(C r)w(M o)w(V)w(M n)w(T i)高压主汽门螺栓1.0 10.8 60.6 10.6 00.2 7高压调节汽门螺栓1.1 00.8 60.5 10.6 00.4 1D L/T4 3 92 0 1 8规定值0.9 01.3 00.7 51.0 00.4 50.6 50.4 00.6 00.1 60.2 8铁素体和贝氏体,未发现大块状贝氏体、网状晶界等异常金相组织,金相组织正常,没有过热、老化现象。图2 金相组织2.4 硬度检测结果硬度检测结果见表2,根据D L/T4 3 82 0 1 6 火力发电厂金属技术监督规程 规定,布氏硬度H B为2 5 52 9 3时合格。表2 布氏硬度H B试验结果项目测点1测点2测点3高压主汽门螺栓2 5 82 6 22 5 8高压调节汽门螺栓2 5 52 6 12 5 6D L/T4 3 82 0 1 6规定值2 5 52 9 32.5 S EM与E D S分析结果螺栓断口的S EM和E D S分析结果见图3。图3(a)是高压主蒸汽门螺栓断口裂纹源区与扩展区的45第5 1卷第1期(总第2 8 4期)吉 林 电 力 2 0 2 3年2月S EM图像,从图中可以清楚看到扩展的贝纹线,可观察到贝纹线一个方向上的强于另一方向。E D S分析可知断口表面蓝灰色氧化膜为铁的氧化物。图4(a)为断裂的高压调节门螺栓断口裂纹源的S EM图像,可以看出裂纹源为扇状,在高放大倍率下,可以看到裂纹源表面存在较多的氧化物。图4(c)、4(d)为高压调节门螺栓断口瞬断区的S EM图像,瞬断区断面比较粗糙,表面覆盖氧化层,说明断口表面腐蚀较严重。3 螺栓断裂原因分析高压主蒸汽螺栓与高压调节门螺栓的光谱和硬度分析结果正常,表明材质没有问题,金相组织正常表明螺栓没有出现超温过热现象。结合高压主蒸汽螺栓断口不同维度的观察分析可得出,断裂发生在螺纹最低处,也就是第一螺纹的位置。通过疲劳贝纹的扩展方向可判断出该处为裂纹起源,该处截面为螺栓最小横截面,是平均应力最大的区域,故而成为最薄弱、最先破坏的地方。断口呈现台阶状,说明其工作状态时所受应力为交变载荷,因此断口比较粗糙。另一处疲劳源的疲劳贝纹逆时针方向扩展,与顺时针方向扩展的贝纹交汇。图3(b)为主蒸汽门螺栓靠近中心部分S EM观察图像,可以清晰地观察到两种不同扩展方向的贝纹,表明其不是单一受力状态,与宏观观察信息一致。从高压主蒸汽螺栓断口的部分表面看到一层蓝灰色的氧化膜,图3(c)是表层氧化膜的S EM图像,对其进行E D S分析结果见图3(d),由图3(d)可以看出,蓝灰色氧化膜为铁的氧化物,但仅从E D S的结果无法确定其分子组成,F e3O4为黑色氧化铁,F e2O3为红色,蓝灰色应为二者的混合体。图3 高压主蒸汽门螺栓断口S E M图像及E D S分析对断裂的高压调节门螺栓断口进行分析,从裂纹源开始,疲劳贝纹围绕螺栓中心孔从两个不同方向扩展,最后汇聚于台阶处。从螺栓断口的宏观分析推断,螺栓的破坏由工作时所受的交变应力产生裂纹源,裂纹在螺栓内部围绕中心扩展,随着疲劳裂纹的不断扩展,使螺栓承受应力的有效面积越来越小,在其所承受的拉应力作用下,导致最后的失效。图4 高压调节门螺栓断口裂纹源及瞬断区S E M图像图4(b)为高压调节门螺栓断口裂纹源处疲劳贝纹的S EM图像,可以看到贝纹线与裂纹源约成4 5 角向螺栓内部伸展,与主蒸汽螺栓相比较,高压调节门螺栓的贝纹线细、密、浅,且很连续,说明其受力状态可能比主蒸汽螺栓相对变化少、稳定。图4(c)、4(d)为高压调节门螺栓断口瞬断区的S EM观测图像,可以看出,瞬断区断面比较粗糙,表面覆盖氧化层,遮挡了断口的更多信息。采用1%的N a OH溶液在9 0加热2m i n没有观察到铁锈层的明显变化,延长加热时间后、酒精超声波清洗,仍未去除氧化层,说明断口表面腐蚀较严重。根据电厂提供的相关参数,机组已累计运行6 22 6 6h,最低负荷为1 0 0MW,这种运行工况会造55刘婉婷,等:深度调峰机组高压螺栓断裂原因分析与预防对策成很大的负荷波动,成为引发疲劳开裂的诱因。综上所述,高压主蒸汽门和调节汽门均有明显的疲劳开裂特征,表面有氧化物,分布较广,不易清洗,表明开裂的时间较长,而导致疲劳开裂的主要原因与机组负荷波动相关。4 结论及建议1)高压主蒸汽门螺栓断口为疲劳断裂特征,裂纹起源于螺纹最低处。由于在汽轮机正常运转过程中,螺栓承受较大的压力,在预紧力和工作应力下产生应力松弛,应力集中的部位在循环交变载荷下首先萌生疲劳裂纹并扩展。裂纹起源于螺纹最低处,当断裂从裂纹源处启裂之后,断裂过程是以间歇的方式发展直至完全破坏的,这是由于螺栓所受载荷为不连续状态,与机组深度调峰带来的载荷波动密切相关。2)高压调节阀门螺栓断口为疲劳断裂特征,螺纹最低处为应力最集中的部位。高压调节阀门裂纹起源于螺纹最低处,由于在汽轮机正常运转过程中,螺栓通常承受较大的压力,在预紧力和工作应力下会产生应力松弛,螺纹最低处为应力最集中的部位,因此在循环交变载荷下首先产生疲劳裂纹,并向螺栓内部扩展,最后完全破坏,同样与机组深度调峰带来的载荷波动密切相关。与高压主蒸汽门螺栓相比,高压调节门螺栓的受力状态相对较为连续、稳定,破坏没有明显的间歇性。3)按照D L/T4 3 82 0 1 6和D L/T4 3 92 0 1 8的要求,建议对螺栓进行检验;安装螺栓时注意控制预紧力的大小、加强对螺栓使用前的抽查检验、做好运行期间汽轮机的振动监测、尽量减少调峰运行的深度和频率,避免载荷波动对紧固件的安全运行产生影响。参考文献:1 王芬玲,王天剑,李清松,等.某电厂高中压缸高温螺栓断裂的原因J.理化检验-物理分册.2 0 2 1,5 7(1 1):6 0-6 2.2 胡洁梓,杨点中.2 0 C r 1M o 1 V T i B汽机主汽门螺栓断裂失效分析J.宁夏电力,2 0 1 3(1):4 8-5 0.3 刘启民.6 0 0MW汽轮机高压内缸螺栓可靠性研究J.能源与节能,2 0 1 5(4):1 6 8-1 7 1,1 7 8.4 欧阳杰,张晓昱,吴楠,等.1 2%C r钢高温螺栓长期运行后的组织与性能J.金属热处理,2 0 1 0,3 5(8):8 4-8 7.5 黄友桥,王飞,彭以超,等.汽轮机高压内缸紧固螺栓高温断裂失效原因分析J.浙江电力,2 0 1 8,3 7(5):7 9-8 4.(编辑 郝竹筠)(上接第5 0页)5 罗聪,王颖,周灿,等.燃煤机组超低排放系统成本分析及经济性运行策略J.环境工程学报,2 0 2 2,1 6(1):2 3 0-2 3 6.6 李伟,徐强,孔德安,等.电站锅炉S C R脱硝系统联合运行优化模型J.热力发电,2 0 1 9,4 8(6):4 6-5 2.7 徐芸菲,何宽,檀玉,等.燃煤电厂烟气污染物协同脱除方法综述J.电力科技与环保,2 0 1 8,3 4(3):3 6-3 8.8 刘显丽.燃煤电厂S C R烟气脱硝技术及应用研究J.新型工业化,2 0 2 1,1 1(3):2 7-2 8.9 周舒丹,叶力平,翁卫国.6 0 0 MW机组S C R系统性能试验J.电站系统工程,2 0 0 9,2 5(3):2 3-2 4.1 0 李其浩,姜仕涛.6 7 0MW机组S C R脱硝系统喷氨优化试验研究J.山东电力技术,2 0 1 7,4 4(3):5 7-6 0.(编辑 郝竹筠)(上接第5 2页)护室、配电室、敷设二次电缆的沟道、开关厂的就地端子箱及保护用结合滤波器等处,应使用截面不小于1 0 0mm2的裸铜排(缆)敷设与主接地网紧密连接的等电位接地网”。建议运维单位在变电站新建、改扩建工程验收时,严格检查等电位接地网和主接地网的连接情况,确保两者可靠连接,并对在运变电站的同类问题进行核查。4 结束语电流回路接地对主变差动保护安全运行会造成直接影响,因此要严格落实 国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施 有关电流接地的要求,加强竣工验收、差流日常巡查、记录比对等关键环节,及时发现差流异常情况并查明原因、快速改正,从而确保变压器的安全运行。(编辑 李茹艳)65第5 1卷第1期(总第2 8 4期)吉 林 电 力 2 0 2 3年2月