1 前言
近两年来，国内多台超超临界汽轮机先后出现中压汽门端盖螺栓断裂的情况。如2007年11月份投产的某1000MW汽轮机，在2013年5月发现：中主门1根超声检测有缺陷，螺栓硬度偏高，共更换23根螺栓;中调门螺栓共断裂15根，更换21根。2009年9月投产的某1000MW汽轮机，在2015年2月发现：A中调门有1根螺栓断裂，4根螺栓松动;A中主汽有5根断裂，8根松动。2010年3月投产的660MW汽轮机，在2013年检修时发现，A中主门1根螺栓断裂。这些缺陷严重影响着机组的安全运行。从缺陷统计的情况来看，越早投产的机组出现螺栓断裂的情况越严重。
2 缺陷现场状况
各电厂在检修期间对超超临界汽轮机的中压汽门端盖螺栓断裂情况进行了检查，以下是典型缺陷现场状况的实际图片。
图1是中压汽门端盖螺栓断裂情况：
3 汽门螺栓断裂危害分析
中压主汽门、中压调节阀的端盖主要对汽门室内蒸汽起密封作用，螺栓的作用主要是将端盖与汽门阀体紧密结合，因汽门室内蒸汽压力、温度较高，汽门螺栓的工作环境极其恶劣，特别是在机组启停、负荷快速升降等工况变化范围较大的情况下，蒸汽参数的急剧变化会导致汽门螺栓应力增加，并可能反复变化。长期在这样恶劣的环境中工作，汽门螺栓将产生疲劳与蠕变，从而使螺栓材质的内部构造结构破坏，逐渐转变为细小裂纹，随着裂纹的逐步扩大，最终造成螺栓断裂。汽门螺栓断裂后，汽门端盖将失去固定的支撑力，使得端盖无法密封汽门室内蒸汽，蒸汽会从汽门与端盖的结合面外漏。汽门内高温、高压蒸汽的严重外漏对处于现场环境的人员、设备以及机组的安全运行形成巨大危害。
图2是中压主汽门螺栓断裂导致蒸汽外漏的热成像图。
4 螺栓缺陷的初步原因分析
4.1 螺栓的使用时间
中压汽门螺栓产生缺陷数量与使用时间有关，国产螺栓投产5年、进口螺栓投产7年，是螺栓断裂故障的高发期。中压汽门端盖螺栓属于耐高温、低膨胀系数、高强度的新型材料，长时间在恶劣工况使用后，其性能会逐渐下降，产生疲劳和蠕变，直至断裂。
4.2 螺栓的材质
某电厂提供的有关分析资料显示，根据某大学对国产某机组断裂螺栓第一阶段研究表明：国产螺栓材料的化学成份和室温力学性能指标均满足采购标准要求，但对比新旧螺栓发现，塑性性能相比新材料出现了不同程度的下降，其中主汽门螺栓塑性下降约为新材料的50%左右。X射线衍射表明螺栓在服役过程中发生了较大的变形。
汽门螺栓工作处于高温环境，机组冷、热态启动时金属热应力的变化，以及汽轮机快冷装置的频繁投用，螺栓材质不均匀、紧固工艺不符合规范等综合因素共同作用时，将使螺栓在使用后硬度增加，脆性增大，出现断裂的螺栓，可能是螺栓所受的实际应力已超出其使用极限。某电厂对更换的新螺栓在使用后进行螺栓硬度测试，发现硬度值有所升高。
4.3 螺栓的安装方法
设备制造厂对螺栓的安装工艺有严格的要求，在发生多起螺栓断裂事件后，制造厂再次提供了螺栓紧固方案，中压主汽门和中压调门端盖螺栓的伸长量降低至0.29～0.34mm和0.24～0.29mm，并明确要求螺栓热紧时加热棒温度不超过700℃。在测量方法上也有所改变，要求以热紧时参考弧长，即螺栓按规定力矩冷紧后，进行加热;螺栓热紧转过的弧度不能超过根据按伸长量折算后的弧度(伸长0.1mm约合转过9°);螺栓热紧冷却后，用专用工具测量螺栓长度，与所测初始长度比较，计算螺栓伸长量，如此反复，直至合格。这样做的好处是，避免热紧时不小心转过弧度过大，导致瞬时伸长量过大，对螺栓造成损伤，同时也可避免伸长量测量不够精确而导致的实际螺栓伸长量偏大的问题。
为了使测量更加准确，制造厂后来提供的新螺栓对测量孔底部进行了改进，由原来的锥形底改为平面底，最大程度上减少了测量误差。
4.4 分析结论
综上所述，分析认为造成中压汽门螺栓断裂的原因有以下几种：
(1)螺栓安装标准伸长量偏大;
(2)原安装工艺标准的安装过程对螺栓损伤较大，容易超成螺栓材质组织结构变化、性能下降;
(3)螺栓国产化，对其性能有一定影响;
(4)机组频繁启停，快冷装置频繁投用等也都会造成螺栓热应力增加，极会导致螺栓所受的实际应力已超出其使用极限。
中压汽门螺栓工作温度高，环境恶劣，长时间运行后，螺栓容易造成疲劳损伤，更容易导致断裂事故多发。制造厂也在积极的寻求解决办法，然而，到目前为止，制造厂还未找到更好的替代材料。
5 防范措施及建议
某超超临界汽轮机出现的螺栓断裂问题已严重威胁到汽轮机的安全、稳定运行，应引起各方的高度重视。到目前为止，对螺栓断裂的准确原因各方仍未达成一致意见。鉴于目前这种情况，电厂方面应做好日常监视、检查与维护，并做好事故的防范措施，确保人员与设备的安全。
尽量利用机组的每次停机机会，对汽门螺栓进行检查，对发现螺栓有松动，或用铁锤轻微捶击时声音异常，说明螺栓已有损伤或已断裂，需要立即更换。对不能明确判断或无法检查的部位，可以采用UT(超声检测)、PT(渗透检测)的方式进行监测，如利用UT对螺栓进行探测时，发现有散波现象，表明受检部位有损伤或已出现断裂，应立即更换或处理。
电厂应高度重视超超临界汽轮机出现的螺栓断裂问题，做好汽门日常监视和巡检工作，及时了解各汽门变化情况，发现异常情况时应立即停机，并做好汽门端盖螺栓断裂紧急停机预案。
6 展望
随着时间的推移，超超临界汽轮机中压汽门螺栓断裂问题会进入高发期，可以预见的是，在造成上述缺陷的原因没有查明之前，新投产的机组仍会发生类似的缺陷，螺栓更换已完成的机组也可能再发生类似缺陷。该问题已严重威胁到汽轮机的安全、稳定运行，现场迫切需要相关各方对此问题进行深入研究，查明缺陷产生的根源，尽快消除机组的安全隐患，制造厂、各研究机构应加快研究步伐，尽快解决超超临界汽轮机汽门及扩散器缺陷频发的问题。
原标题：超超临界汽轮机中压汽门螺栓断裂分析
