＊周建中
（中电华创电力技术研究有限公司 江苏 215123）
电厂用高强度螺栓紧固件等服役环境多数处于较高的温度环境下，在高温和应力的长期作用下螺栓组织会发生变化使材质脆化失效，影响发电机组的长期安全可靠运行[1-2]。Inconel 718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，其在650℃高温下具有较高的机械强度[3]、良好的抗蠕变性和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、石油化工和电力工业等领域[4]。Inconel 718合金相当于国内牌号的GH4169，主要用于制造高温承载部件，如高温紧固螺栓和螺柱。研究表明在材料成分符合标准的情况下，此类高温高强螺栓的断裂主要与微动裂纹扩展引起的疲劳断裂有关[5]。而晶粒度大小对于Inconel 718合金的力学性能有较大的影响，细晶可以获得较高的疲劳寿命，粗晶对抗蠕变和疲劳裂纹扩展有利[6]。故研究晶粒大小对于高温螺柱的生产具有重要的指导意义。某电厂有2×600MW机组，该机组锅炉采用北京巴布科克·威尔科克斯有限公司生产的B＆WB-2091/26.15-M660MW型锅炉，为平衡通风、超超临界、一次再热、螺旋炉膛的SWUP型锅炉。本文对该电厂运行过程中旁路阀盖螺柱在螺母与螺杆的交界处发生断裂的事故进行分析研究，分析螺柱断裂原因，并提出相应的改进建议，确保机组安全运行。
对某电厂的断裂的阀盖螺栓进行取样分析，其宏观形貌如图1所示。
图1 Inconel 718断裂螺栓的宏观形貌
旁路阀盖螺栓外表面因受长期高温氧化作用而发黑，失效的螺栓断裂为两段，断裂位置在螺母与螺杆的交界处。螺栓规格为M40×210mm，断裂位置距下端面约为45mm。失效螺栓断面如图1b所示，断裂面可以分为起始区、快速扩展区和终断区。红色标注区域为断裂起始区，此处断面平滑没有明显的撕裂棱。黄色区域为快速扩展区，可见表面存在较多有方向性的撕裂条纹，这是由于同时受到扭矩和拉力的作用发生破坏，而中间的撕裂条纹大致平行，判断出断裂的方向为由左至右。蓝色区域为终断区，由于此区域承受较大应力发生瞬时断裂，因此呈现较粗糙的纹理，并发生较大的变形。
断裂螺栓材质为Inconel 718（相当于国内牌号GH4169），对失效螺柱和新螺柱材料分别进行化学成分分析，结果如表1所示。对比ASTM B637中N07718的化学成分标准数据，失效试样化学成分与新螺柱基本一致，且符合标准要求。
表1 Inconel 718钢的化学成分分析（%）
在断裂螺栓及新螺栓上各取1根纵向室温拉伸试样，对其进行室温拉伸试验和硬度测试。机械性能试验结果如表2所示。
表2 Inconel 718螺栓机械性能
对比ASTM B637中N07718的拉伸标准数据，螺柱材料的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率均符合要求，断裂螺栓抗拉强度与屈服强度略低于新螺栓。通过GB/T 33362-2016《金属材料硬度值的换算》换算成布氏硬度后，断裂螺栓与新螺栓的平均布氏硬度为448HB和439HB对比ASTM B637中N07718的硬度标准数据，试样材料硬度性能符合标准要求。
将断面试样纵向切开，对其截面进行金相分析。在断面下螺纹的第一、第二牙分别可见有一处裂纹。裂纹形貌如图2、图3所示。
图2 断面下第一牙螺纹裂纹
图3 断面下第二牙螺纹形貌
裂纹起始端形貌见图2a所示，可见螺纹根部近表面有明显变形加工痕迹，组织呈纤维状分布，可能是滚压加工所致。此处裂纹开口较宽，后逐渐变细，走势较直。裂纹尾端形貌见图2b所示，可见裂纹纤细，没有分叉，可能为同时受到正拉力和剪切力的作用造成的。裂纹特征表现为沿晶开裂特征，其为典型的脆性开裂。
断面下螺纹第二牙根部形貌如图3所示，可见螺纹根部不平整，表面有加工残留，裂纹起始位置在螺纹根部下侧，与断面下第一牙螺纹根部裂纹相似。此处裂纹走势较直无分叉。裂纹起始端形貌见图3a所示，同第一牙螺纹一样表现为沿晶开裂特征。
在试样心部进行金相分析。试样心部组织形貌见图4a所示，对比图5Inconel 718合金基本组织形貌可知，试样存在局部晶粒大小差异很大，存在混晶现象。
图4 试样心部组织形貌
图5 Inconel 718合金基本组织形貌[7]
根据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》及GB/T 24177-2009《双重晶粒度表征与测定方法》对其进行晶粒度评级，可评为纵向、双重、双峰，27%5级，73% 12级。试样心部组织高倍形貌如图4b所示，主要组织结构为γ相+γ′相+γ″相+δ相+少量碳化物，其中δ相沿晶界分布[8]。
将螺纹断面置于扫描电镜下进行断口形貌观察。断面起始区低倍下形貌见图6a所示，可见此处断面整体较平滑，有几条撕裂棱由外表向内部延伸。如图6b所示放大后可以发现层状阶梯较为明显，表明此处受到的应力水平较高。高倍下可见断面起始区大部分为冰糖状沿晶颗粒，混合有少量韧窝形貌及碳化物颗粒。
图6 断面起始区形貌
综上，该旁路阀盖螺栓断裂的主要原因是该螺栓晶粒组织存在混晶。在滚压加工螺纹时较小的晶粒发生塑性变形，而较大的晶粒不能发生足够的塑性变形而产生脆性开裂，同时造成螺纹根部不平整。此外，滚压后的沉淀硬化处理也会增加变形组织的脆性，并积累一定的残余应力。考虑到螺纹根部的应力集中现象，容易在此处加速裂纹的扩展，并最终造成断裂失效。
根据以上结论，材料的混晶现象可能是由于滚压加工后进行的沉淀硬化处理使得材料组织发生再结晶；
也可能是由于终锻温度过低，每次变形程度又较小，因而动态再结晶不能充分进行引起的。前者可通过改进热处理工艺，在滚压前增加一道时效处理；
后者可通过适当的再结晶热处理消除，再结晶处理温度以略低于δ相开始溶解温度为宜[9]。此外，对于原材料的采购需要加强质量控制，选用合格的原料进行加工。对于采购方可在验收时增加螺纹的表面无损检测，确保螺纹根部没有微裂纹的出现。