火力发电厂高温紧固件在金属监督中存在的问题分析

0 检验标准情况介绍

目前，涉及火力发电厂高温紧固件的监督检验标准有DL/T 438－2009《火力发电厂金属技术监督规程》( 以下称“438”)，DL/T439－2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》(以下称“439”)，GB/T20410－2006《涡轮机高温螺栓用钢》

及ASME 有关紧固件的标准等。

GB/T20410－2006规定了汽轮机、燃气轮机高温螺栓用钢的订货内容、尺寸、外形及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志和质量证明书。适用于汽轮机、燃气轮机高温螺栓用热轧、锻制钢材。

新的438 监督规程已于2009 年颁布并实施，其中提到关于高温紧固件的选材原则、安装前和运行期间的检验、更换及报废按DL/T439中相关条款执行，对于大于等于M32的高温紧固件的质量检验按GB/T20410－2006中相关条款进行。

439于2006年10月1日开始执行新的规定，相比91版的标准主要有以下变化：改为推荐性行业标准；增加充实了紧固件用钢号；对原标准体例作了较大幅度的修订，删减了原标准的结构、连接特性、失效和防止措施等章节内容，一些章节进行了合并。

如今，对于火力发电厂高温紧固件的监督检验应按照DL/T439－2006的相关要求执行，对于一些特殊钢种的检验，应按照制造厂标准执行。

1 高温紧固件的采购

生产厂家对紧固件进行硬度检验时，本应采用布氏硬度方法检验，厂家为了节约检验成本，使用里氏硬度方法检验代替，有些厂家根本就不进行硬度试验；对20CrlMo1VNbTiB(以下称“争气一号”)钢螺栓，有的厂家不进行宏观金相检

验，甚至有些厂家根本就不知道争气一号钢存在宏观粗晶的问题；对螺栓成品的无损检验，多数厂家只对其进行磁粉检验，不进行超声波检验，还有些厂家对螺栓不进行无损检验，最终是制造厂家到货合格的螺栓可能在电厂检验不合格。

鉴于此，建议电厂在对高温紧固件进行订货或签订技术协议之前，由金属专责对螺栓的检验方法及比例等提出具体要求并将其列到技术协议里面，避免入库前一次检验合格率低的问题发生以及因为检验结果不合格，使用单位与制造厂

互相扯皮。

2 使用前加强高温紧固件材质鉴定

近年，随着电站大型机组和一些引进机组的增加，高温紧固件的用材也多种多样，按照439的要求，合金钢、高温合金螺栓、螺母应进行100%光谱检验，实际机组在进行安装期间，施工单位一般只对其进行一般光谱检验(即元素种类验

证) ，这样不能完全保证所使用材料与原设计材料相符，一般存在如下问题会导致错用钢材:

(1) 对镍基螺栓无法进行一般光谱检验；

(2) 由于一般的光谱检验无法对C 元素进行分析，因此，当紧固件用材所含元素种类及其含量相近时，例如20CrMo和35CrMo，无法用一般光谱检验进行区别；

(3) 当材料中某种元素含量较少时，会造成误判，如Ni、Nb 元素，如果含量很少，在实际检验时用一般的光谱检测仪器是无法判别是否存在的，这样也容易造成误判，例如: 争气一号和争气二号钢；

(4) 光谱检验人员的水平差或经验少也会导致紧固件使用时错用钢材，如某厂8 号机组2002 年建成投入适用，2009年大修时发现高压调节汽阀螺栓(规格: M48×3×285mm)40条光谱检验结果为Cr11NiMoVNb，与电厂委托检验材质不符，委托检验材质为: 1Cr10NiMoW2VNbN；对上述螺栓抽取一条取样进行了金属光谱定量分析，检验结果(%) 如表1。

表1 检验结果与资料对比

注: 厂家资料只给了主要元素( Cr、Mo、Ni、V、Nb、W) 含量范围

由上表可以看出，检验结果与制造厂资料上1Cr10NiMoW2VNbN 各主要元素含量不符，材质错用。因此，对于高温紧固件入库前、特别是安装使用前应加强材质鉴定工作。

3 硬度检验

3.1 螺母硬度问题

439 3.5要求:螺母强度宜比螺栓材料低一级，硬度低HBW20～HBW50。因此建议在新安装机组和机组检修时，对螺母进行硬度检验。实际上无论是基建单位还是发电厂，往往仅对螺母材料进行把关，没有进行螺母的硬度检验。对螺母硬度进行检验主要是考虑螺栓的寿命和装卸，如果螺母硬度高，就会导致螺栓寿命降低和装卸困难。相对螺母来讲，螺栓的成本更高，因此从经济和运行安全角度出发，应该对螺母硬度进行检验。根据螺栓硬度，控制螺母硬度，并且应把螺栓和螺母统一配对编号，拆装时避免搞混，从而最大地延长螺栓寿命，保证机组的运行安全[1]。

对螺母硬度常规检查，应在一个支撑面上进行，并取间隔为120°的3点硬度平均值做为该螺母的硬度值。如有争议，应在通过螺母轴心线的纵向截面上，并尽量靠近螺纹大颈处进行硬度试验。

3.2 螺栓硬度问题

由于热处理质量的控制水平的差别，不能很好地保证整个螺栓的热处理质量，导致整个螺栓硬度出现较大的偏差，特别是直径比较大的螺栓，如对汽缸结合面螺栓检验时，发现螺栓的不同部位硬度偏差很大，有时超过HBW100。这样对于螺栓硬度检验，就提出了一个新问题。如果被检螺栓硬度不均该怎么办? 有人建议不超过HBW30［1］。因此，建议相关部门在制订有关标准时需要考虑这些问题，增强实际检验工作的可操作性，从多方面考虑螺栓检验中可能出现的问题，以保证螺栓的检验质量。

测量高温螺栓布氏硬度最权威的是布氏硬度计，但由于缸上螺栓一般都比较大，无法在布氏硬度机上进行试验，只能借助里氏硬度计进行检验。实际检验过程中，检验人员习惯将里氏硬度计检验的结果直接转化的布氏硬度结果做为最终结果，实际上是不合理的。有人对布氏和里氏硬度计进行了对比试验[2]，结果表明: 在用里氏硬度计测量高温螺栓布氏硬度时必须用测量出的里氏硬度值代人回归方程:

HBW=－278.72+0.996HLD

中得到的布氏硬度值为准。并且值得一提的是，在用里氏硬度计测量高温螺栓布氏硬度时首先要按规定的试验条件进行，要注意数据采集的有效性，这样测量的结果才具有真实性和权威性。

3.3 35CrMo 材料硬度问题

439 的2006 新版标准和91 版的标准相比有了很大变化，其中包括材料硬度值范围有了较大改变，另外将“硬度高于要求的上限值而不超过10%定为有疑点的螺栓”取消了。

35CrMo 材料两个标准硬度范围对比见表2:

表2 35CrMo 标准范围对比

由上表可以看出，修改后的标准和原标准范围差别很大，这就导致了近两年电厂检修时有相当一部分过去检验硬度后可以使用的螺栓( 螺母) 被废掉了。例如: 某电厂2009年大修检验发现，54个导气管螺母( 材料35CrMo) 应硬度值偏低被废掉29个，包括旧螺母18个，备品备件新螺母11个。

标准的修改是在很多试验的基础上进行修订的，原来很多厂都用35CrMo材料的螺母与25Cr2Mo1V螺栓搭配，实际使用过程中发生了很大问题: 由于35CrMo原来硬度范围很低，导致它的强度达不到要求，抗氧化性低，长期运行后螺纹氧化发生螺栓与螺母咬死现象，如图1 是螺母结合面氧化严重，图2 是螺栓螺纹被咬死后将螺纹破坏。

图1 螺母结合面氧化

图2 螺栓螺纹破坏

4 争气钢金相检验

4.1 争气一号钢粗晶产生的机理

20CrlMo1VNbTiB(又称“争气一号钢”)高温螺栓钢是我国自行研制的紧固件用钢。这种钢不但有高的持久强度而且有高的持久塑性，持久缺口敏感性很小。经长期运行后，在晶内和晶界都没有发现碳化物大量的析出和积聚现象。该钢种在趋势上已经取代了沿用多年的25Cr2MolV 钢。但是，争气一号钢的粗晶问题，突出地表现为晶粒粗大，晶界析出的碳化物较多，而且呈网链状分布，对材料的断裂韧性、力学性能是十分不利的。粗晶属于过热组织，粗晶的产生与冶炼、锻造、热处理等生产条件有关。

争气一号钢产生粗晶的主要原因:

热加工过程曾发生过热(1100℃～1200℃以上)，或钢材多次遭受加热至奥氏体再结晶温度(1000℃～1050℃)以上后快速冷却，或粗晶原料慢速加热至任何奥氏体化温度。由于Cr、Mo、V、Nb、Ti 合金元素的联合作用，上贝氏体中板条状铁素体和板条间的碳化物稳定性相当高，在Ac1～Ac3范围仍稳定。这些特征使争气一号钢对热加工的过热史具有继承和积累作用，也是易产生粗晶的主要组织结构的原因[3]。

4.2 争气一号钢金相检验比例

争气一号钢螺栓使用前和检修时均需进行金相抽查，具体的抽检比例和做法标准中没有特别说明。根据多年的螺栓检验经验和相关知识，建议螺栓使用前和结合检修对缸上的争气一号钢螺栓执行10%的金相抽检( 检查比例不足一件时，抽取一件) ，如果发现有螺栓晶粒级别不能满足要求，则应扩大比例到30%，如果还有螺栓晶粒级别不能满足要求，整个部件的争气一号钢螺栓应全部检验; 鉴于目前还未有相关资料表明争气一号钢螺栓运行后发生晶粒粗化现象，因此对于未发现宏观粗晶的螺栓应进行标记，下次检修时不应重复检验。对于门上的螺栓，建议进行100%的宏观金相检验。

4.3 金相检验方法

目前对争气一号钢螺栓进行金相检验，大都只是进行宏观金相或微观金相检验。根据DL/T439－2006，争气一号钢螺栓如果使用条件为原设计螺栓材料的，允许使用级别为5级；原设计为540℃温度等级，容量在200MW 以下的机组螺

栓，如果用该钢种时允许使用级别柔性螺栓为3、4、5、6、7级。因此，单纯进行宏观金相或微观金相检验是不够的。宏观粗晶检验往往只能辨别1、2级，最多到3级，对于4级以上往往就不够了，并且对于6、7 级单纯依靠宏观金相是无法

判别的。所以，建议对争气一号钢螺栓进行宏观金相和微观金相检验相结合。这样才可以准确判别螺栓的晶粒级别，保证螺栓的质量[1]。

4.4 争气二号钢螺栓金相检验

20CrlMo1VTiB高温螺栓用钢，又称“争气二号钢”，无论是438还是439均未对争气二号钢螺栓金相检验提出特殊要求，据很多资料介绍，争气二号钢也曾出现宏观粗晶的问题。如西柏坡发电厂1号机第2次大修时发现，中压调整门一条M33×275mm的争气二号钢螺栓在运行中已断裂，断口平齐，是典型的脆断，运行时间为38 521h。经检验其硬度为HB276，符合DL439－91的要求，但宏观组织粗大，宏观晶粒平均尺寸大于2mm，进一步检验其他争气二号钢螺栓又发现27条在役螺栓、63条新螺栓为宏观粗晶组织。由此可以看出，争气二号钢也存在较严重的粗晶问题，发电厂螺栓监督工作有必要对争气二号钢螺栓进行宏观粗晶检验[4]。

5 其它问题

原则上同一法兰的紧固件应采用相同的钢号、强度等级和结构形式。在实际应用中，建议使用单位在同一结合面上( 汽缸、阀门、法兰等) 使用材料和结构形式相同的螺栓，特别是阀门上的螺栓，曾经有电厂阀门上本应使用合金钢的螺

栓，其中混用了碳钢的螺栓，运行时，碳钢螺栓塑性变形后受力降低，合金钢螺栓受力增加，到达螺栓的断裂极限后，崩断造成非停事故。

6 意见和建议

(1) 螺栓材料的理化检验按照相应材料的技术条件或制造厂标准执行。对螺栓材料的一些特殊要求则按协议书执行；

( 2) 紧固件安装前应严格光谱检验，有条件的单位可以对其进行现场( 半) 定量分析，避免材质错用；

( 3) 高温螺栓台帐应详细，每条高温螺栓的使用和检验都应有详细记录；

( 4) 新螺母应进行硬度检验，并且应与相应的螺栓配对编号使用，拆装时不应混淆；不建议35CrMo 材料的螺母与25Cr2Mo1V 的螺栓搭配使用；

( 5) 对于争气一号钢螺栓金相检验比例为: 缸上新螺栓10%金相抽查，发现不合格螺栓，扩大到30%，如果还有不合格螺栓，要进行全部检验；门上新螺栓100%金相检验；对于争气一号钢螺栓金相检验方法为宏观金相和微观金相相结

合，比较准确地评判出螺栓晶粒级别；对争气二号钢螺栓进行宏观组织检验，应参照争气一号的标准进行评判，以保证该钢种螺栓的安全运行；

( 6) 汽缸结合面上的高温螺栓硬度检验应考虑螺栓的不均匀度，建议所有部位偏差不得超过HBW30。

7 结束语

高温紧固件是金属监督的一个重点和难点，在实际操作中，应该对其在使用前和使用中都做严谨详细的工作，才能尽量避免出现由于紧固件的原因而造成的机组非停事故。