Causa de la fractura del tornillo de la turbina por alta temperatura

La capacidad de montaje de los generadores térmicos domésticos y la eficiencia térmica han ido mejorando constantemente, lo que ha provocado un aumento de la presión del vapor en las turbinas de vapor. Esto impone mayores exigencias a los materiales componentes de alta temperatura de la turbina de vapor.

Por ejemplo, los tornillos resistentes a altas temperaturas desempeñan un papel decisivo a la hora de garantizar la estanqueidad de la división del cilindro. Estos tornillos suelen estar fabricados con materiales resistentes al calor que funcionan excepcionalmente bien a altas temperaturas.

Un material comúnmente utilizado para estos tornillos es el acero 20Cr1Mo1VNbTiB, un acero perlita resistente al calor que tiene alta resistencia y buen rendimiento anti-relajación.

Durante el funcionamiento de la unidad generadora de una central eléctrica, un tornillo de alta temperatura de la compuerta falló y se rompió. La unidad había estado en funcionamiento durante 47,341 horas y el perno estaba hecho de acero 20Cr1Mo1VNbTiB con especificaciones de M56mm × 4mm × 310mm.

Los investigadores realizaron una inspección y un análisis exhaustivos del tornillo roto y lo compararon con un tornillo intacto del mismo lote y material para determinar la causa de la falla. Esperan evitar que ocurran incidentes similares en el futuro.

1. Inspección física y química

1.1 Macroobservación

Fig. 1 Aspecto macro del tornillo roto

Fig. 2 Macromorfología de la superficie de fractura del tornillo fracturado

La morfología general y transversal del tornillo roto se representa en las Figuras 1 y 2, respectivamente.

Se observa que la fractura se localiza en el eje del tornillo, aproximadamente a 130 mm de la cara extrema. La sección transversal parece plana, granular, sin signos de deformación plástica y presenta una típica fractura frágil.

Una inspección de la superficie exterior del tornillo revela que la superficie de la rosca es lisa y libre de abolladuras, grietas, óxido, rebabas u otros defectos que podrían causar concentración de tensión.

1.2 Análisis de composición química

Se tomó una muestra cortada con alambre del centro del tornillo roto y del tornillo de comparación. Después de alisar la superficie cortada con papel de lija y limpiarla con alcohol, se utilizó un espectrómetro vertical de lectura directa de espectro completo para analizar su composición química.

Los resultados experimentales mostraron que la composición química de ambas muestras cumplía con los requisitos para el acero 20Cr1Mo1VNbTiB como se especifica en las Directrices Técnicas DL/T 439-2018 para sujetadores de alta temperatura en plantas de combustibles fósiles.

1.3 Prueba de propiedades mecánicas

Tanto el perno roto como el perno intacto se sometieron a pruebas de muestra de dureza, tracción e impacto en U. Las pruebas de tracción se realizaron a temperatura ambiente utilizando una máquina de prueba de materiales universal, y los resultados incluyeron resistencia a la tracción, límite elástico y alargamiento después de la fractura. . La energía de absorción de impacto se midió a temperatura ambiente usando una máquina de prueba de impacto, y la dureza Brinell se midió usando un durómetro Brinell. Los resultados de la prueba se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1 Resultados de las pruebas de propiedades mecánicas de los tornillos.

Muestra Límite elástico R p0,2 /MPa Resistencia a la tracción R i /MPa Elongación después de la fractura A/% Energía absorbida por el impacto/J Dureza/HB
Cara frontal Superficie de carga transversal a 20 mm de la cara frontal
Valor medido del tornillo roto 953 1071 15 25 290 278
Valor medido de todo el tornillo 952 1066 17 86 266 269
valor estandar ≥735 ≥834 ≥12 ≥39 252~302

Los resultados de las pruebas indican que la dureza, la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento después de la fractura del tornillo cumplen con los requisitos estándar. Sin embargo, la energía de absorción de impacto del perno roto fue solo de 25 J, significativamente menor que los requisitos estándar. Esto sugiere que el material del perno roto es frágil y tiene baja resistencia a las cargas de impacto.

Por el contrario, la energía de absorción de impacto del perno ininterrumpido fue de 86J, lo que cumple con los requisitos de la norma.

1.4 Inspección de macroorganización

Se examinaron las caras extremas de los tornillos fracturados y no rotos, así como las secciones transversales de las superficies de fractura de los tornillos fracturados, para determinar la macroestructura de acuerdo con el método recomendado en DL/T 439-2018, como se muestra en la Figura 3.

Fig. 3 Macromorfología de la cara del extremo del tornillo

El examen bajo diferentes ángulos de iluminación revela que la cara del extremo de la fractura y la sección transversal del perno exhiben parches de partículas poligonales con diferentes colores y brillo. A simple vista se puede observar que la microestructura está compuesta por macrogranos gruesos con un diámetro promedio de más de 2 mm, lo que se confirma con una lupa.

La formación de granos gruesos en el acero 20Cr1Mo1VNbTiB está relacionada con el proceso de producción, como la fabricación y el tratamiento térmico, y es el resultado del sobrecalentamiento. Esto puede ocurrir si la temperatura durante el trabajo en caliente excede Ac1 (la temperatura inicial para la transformación de perlita en austenita) o si el acero se calienta repetidamente por encima de la temperatura de recristalización austenítica y luego se enfría rápidamente.

En un entorno prolongado de alta temperatura y alta presión, los carburos de la estructura sobrecalentada precipitan gradualmente, reduciendo la resistencia al impacto del material.

1.5 Inspección metalográfica

Tome muestras de tornillos y pernos para inspección metalográfica como se muestra en la Fig.

Fig. 4 Microestructura del tornillo

Se determinó que la microestructura del perno fracturado era bainita, con un tamaño de grano de grado 1 y una línea de bainita distribuida transversalmente en el cristal que exhibe una estructura de marco.

El tornillo intacto, por el contrario, tiene una fina microestructura cristalina de bainita con un tamaño de grano de grado 5.

Los resultados de la inspección metalográfica revelan que el tamaño de grano del perno roto no cumple con los requisitos establecidos en la Guía Técnica DL/T 439-2018 para sujetadores de alta temperatura de la central eléctrica Dali, que requieren un tamaño de grano de grado 5.

1.6 Análisis de fracturas

La morfología de la fractura del tornillo roto se examinó mediante un microscopio electrónico de barrido.

Fig. 5 Resultados de micromorfología de fractura y análisis del espectro de energía de tornillos rotos

La morfología de la fractura se muestra en la Fig. 5a, y toda la superficie de la fractura está cubierta por una densa capa de óxido. El análisis del espectro de energía identificó el óxido como Fe 2 Ó 3 como se muestra en la Fig.

La fractura del tornillo roto durante la operación provocó que la superficie de la fractura quedara expuesta a altas temperaturas durante mucho tiempo, lo que provocó la formación de una densa película de óxido en la superficie. Esto dificulta la observación directa de la información de la fractura del tornillo desde la superficie de la fractura.

Los investigadores estudiaron la morfología de fractura de los materiales a través de las superficies de fractura de muestras de tracción y de impacto para determinar el modo de fractura de los pernos.

Fig. 6 Micromorfología de fractura de muestras de tracción e impacto

Las superficies de fractura de las muestras de tracción e impacto se analizaron utilizando un microscopio electrónico de barrido. La morfología de fractura de las muestras se muestra en la Fig.

Las figuras 6a) y 6b) representan las morfologías de las fracturas por tracción y por impacto a bajo aumento. El área del labio de corte de la sección de fractura por tracción es mínima y representa aproximadamente el 15% del área de la fractura. La mayor parte de la sección está dominada por un área de radiación, con muy poca área de fibras presente. La macromorfología de la fractura sugiere que la tenacidad del material es baja.

La Figura 6c) ilustra la morfología de la fractura por tracción bajo observación con gran aumento. La superficie de la fractura es principalmente de escisión, con una pequeña cantidad de inclusiones onduladas. La morfología general de la superficie de la fractura se ajusta a las características de la fractura de cuasi escisión.

La figura 6d) muestra la morfología de la fractura por impacto bajo observación con gran aumento. La sección es predominantemente una zona de radiación y toda la sección es principalmente una superficie de escisión.

La Figura 6 indica que la fractura de la muestra pertenece a una fractura por escisión, lo que indica que el material es muy frágil.

2. Análisis y discusión

Los resultados de las inspecciones físicas y químicas revelan que la composición química, las propiedades de tracción a temperatura ambiente, la dureza y otros indicadores de los tornillos cumplen con los requisitos de la norma.

Sin embargo, la estructura de fractura de los tornillos tiene granos gruesos con tamaño de grano de grado 1 y una estructura bainita distribuida transversalmente en los granos, lo que contribuye a la fragilidad del material.

El análisis de fractura de las superficies de fractura por tracción e impacto indica que el material ha sufrido una fractura por escisión, con una energía de impacto absorbida mucho menor que los requisitos estándar. Esto confirma aún más la fragilidad del material.

Los tornillos de alta temperatura en las turbinas de vapor operan en condiciones desafiantes como altas temperaturas, altas tensiones y corrosión por vapor. Como resultado, los materiales para tornillos deben tener una alta resistencia a la fluencia a altas temperaturas, un bajo coeficiente de expansión lineal, un buen rendimiento anti-relajación, una fuerte resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, una baja sensibilidad a las entalladuras y una buena resistencia a la oxidación.

Sin embargo, la estructura de grano grueso del material del perno fracturado produce una fragilidad excesiva, lo que lo hace incapaz de soportar la tensión de impacto causada por el arranque, el apagado y las fluctuaciones de carga unitaria.

3. Conclusiones y sugerencias

El tornillo de alta temperatura de la turbina tiene granos gruesos y ha estado en funcionamiento durante un período prolongado en condiciones de alta temperatura y alta presión, lo que provoca la precipitación gradual de carburos y una disminución de la resistencia al impacto del material.

Como resultado, el tornillo de alta temperatura sufre una fractura frágil bajo la tensión de impacto causada por el arranque y la parada de la unidad y la fluctuación en la carga unitaria.

Por lo tanto, se recomienda que las centrales térmicas realicen una inspección 100% ultrasónica y una inspección de dureza 100% en los tornillos de alta temperatura de la turbina durante el mantenimiento, y reemplacen los tornillos que no pasen estas inspecciones.

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