Page 88 - 理化检验-物理分册2023年第十二期
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王庆峰: 超超临界机组In783合金螺栓早期断裂原因及其应用建议



            短, 塑性变形阶段越来越短, 与力学性能结果相符。                             S p ecialMetals公司 SARWAN 等对In783 合

            国内众多对In783 合金螺栓开裂的原因分析均表                           金在593℃和704℃下的热稳定性进行了研究。研

            明  [ 14-15 ] , In783合金螺栓在 600 ℃ 服役过程中因高            究过程中发现标准热处理态的In783合金在593℃

            温及应力状态下的显微组织发生变化, 引起了螺栓                            下的等温时效过程中出现了明显收缩现象。并且在
            力学性能的劣化, 特别是塑性和韧性降低, 增加了                          3次独立试验过程中均出现了类似现象。 In783 合


            In783合金螺栓脆性开裂的风险。                                  金在593℃等温时效200h后出现了明显收缩, 当

                 在火电机组服役的过程中, 螺栓部件由于受到                         时效时间达到600h后, 收缩率达到了一个稳定值
            较高的温度、 复杂的应力和环境介质的综合影响, 长                         0.02% , 这可能与负蠕变现象相关。研究表明, 对于
            周期服役后会产生组织老化、 性能劣化等变化, 也是                          一些高温合金, 负蠕变通常在高温和低应力条件下
            造成螺栓部件失效的重要原因之一。从以上案例可                             出现。许多镍基高温合金都存在负蠕变现象, 如
            以看出, In783 合金螺栓在服役状态下的显微组织                        R26 、 Allo y 617 、 Nimonic80A [ 18 ] 、 Nimonic90 等。彭
            发生变化, 引起了材料性能劣化, 特别是塑性和韧性                          以超等   [ 18 ] 研究了负蠕变行为对 Nimonic80A 合金
            降低。塑性和韧性降低意味着螺栓的承载能力下                              螺 栓 频 繁 断 裂 的 影 响 规 律,研 究 结 果 表 明

            降, 缺口敏感性增加, 一旦萌生微裂纹, 就可能导致                         Nimonic80A 合金螺栓在长期低于525℃的服役过
            螺栓的脆性断裂。因此, 发电企业应对服役时间较                            程中, 合金内部发生 Ni 2 Cr有序转变, 从而产生负蠕
            长的螺栓进行检验, 对存在组织老化、 性能劣化或者                          变, 导致螺栓应力增大, 最终在螺纹应力集中最大的
            存在缺陷的螺栓进行更换处理。建议研究机构针对                             局部区域产生过载开裂, 是 Nimonic80A 合金螺栓
            In783合金螺栓服役状态下组织性能的变化规律进                           频繁发生断裂的关键原因。
            一步研究, 建立组织变化与性能劣化的关系, 科学评                             SARWAN 等的试验结果表明, In783 合金在


            价服役后In783合金螺栓脆性开裂的风险, 并制定                         593℃下等温时效 200h 后出现了明显收缩, 即出
            In783螺栓的更换与报废准则, 从而防止运行状态                          现了负蠕变现象。 In783合金螺栓在超超临界机组


            下In783合金螺栓发生断裂。                                    上服役温度为600℃ , 接近593℃ 。因此, In783合
            1.3.4 负蠕变                                          金螺栓在超超临界机组中压主汽门和调节门的应用
                 在高温并受拉伸应力的作用下, 金属材料会随                         过程中出现负蠕变是具有一定可能性的。服役温度
            时间而逐渐伸长, 称为高温蠕变。如果与此相反, 在                          下的负蠕变现象将使In783合金螺栓的工作应力增
            一定条件下, 材料在高温和应力作用下随时间而逐                            加, 特别是服役初期工作应力增大, 给服役状态下的
            渐缩短, 称为负蠕变        [ 16 ] 。金属材料的变形与外加载             In783合金螺栓增加了不利因素。在谢澄                  [ 6 ] 等关于
            荷的方向相反, 这与热力学第一定律相矛盾。关于                           In783螺栓的断裂案例中, 启动机器后不久便发现
            这一现象产生的原因, 目前普遍认可的解释是材料                            中压主汽门阀盖有蒸汽冒出, 两侧主汽门和调节门
            体系内部能量的减少大于外部应力产生的作用。许                             共发现29根螺栓断裂, 这可能与In783螺栓的负蠕
            多学者对高温合金中出现的负蠕变现象进行了研                              变现象直接相关。因此, 在计算螺栓预紧力的过程
            究, 包括高温合金负蠕变产生的机制, 建立负蠕变模                          中, 应高度重视并重点考虑负蠕变带来的不利影响。
            型等。通常认为材料的负蠕变与初始应力大小、 时
            间、 化学成分、 材料的热处理等复杂的相互作用有                          2 综合分析
            关  [ 17 ] 。负蠕变的解释模型主要有两种            [ 17 ] : 一种是       综合分析认为, 超超临界机组In783合金螺栓大
            将负蠕变归因于基体组织的有序化转变, 是否出现                            量早期断裂的原因与拆装工艺不规范、 螺栓制造质量
            负蠕变取决于有序化转变引起的体积收缩与预载荷                             不良、 材料服役后性能下降及负蠕变等诸多因素相
            造成的变形量; 另一种解释认为, 由于材料组织的不                          关。在众多因素中, 拆装工艺不规范和螺栓制造质量
            稳定, 例如基体中析出第二相, 使比容减小而引起收                          不良可能会导致部分发电机组In783合金螺栓早期
            缩。按照这两种模型, 很多金属都可能出现负蠕变                            断裂, 而In783合金螺栓在整个超超临界机组中出现
            现象, 但蠕变抗力低的金属在松弛曲线上不出现或                            大量早期断裂可能与In783材料服役后性能下降及
            者呈现很小的负蠕变, 蠕变抗力越高的金属负蠕变                            负蠕变的影响因素更为密切。程光坤等基于In783
            现象越强。                                              合金螺栓的冶炼技术、 热处理和安装工艺的严格要
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