タービン高温ボルトの破断原因

国内の熱発電機の組立能力と熱効率は常に向上しており、蒸気タービンの蒸気圧力の上昇につながっている。このため、蒸気タービンの高温部品材料に対する要求が高まっている。

例えば、高温用ボルトは、シリンダースプリットの気密性を確保する上で重要な役割を果たします。これらのボルトは、一般的に高温性能に優れた耐熱材料で作られています。

このボルトによく使われる材料のひとつが20Cr1Mo1VNbTiB鋼で、高い耐久強度と良好な耐リラクセーション性能を誇るパーライト熱延鋼である。

発電所の発電機ユニットの運転中、ゲートの高温ボルトが破損した。この発電機は47341時間稼動しており、ボルトは20Cr1Mo1VNbTiB鋼製で、M56mm×4mm×310mmの仕様であった。

研究者たちは、破損したボルトの徹底的な検査と分析を行い、同じバッチで同じ材質の破損していないボルトと比較して、破損の原因を特定した。研究者たちは、今後同じような事故が起こらないようにしたいと考えている。

1.物理的・化学的検査

1.1 マクロ観察

図1 折れたボルトのマクロ外観

図2 破断したボルトの破断面のマクロ形態

破断したボルトの全体と断面の形態をそれぞれ図1と2に示す。

破断箇所はボルトロッド上で、端面から約130mmの位置であることが確認された。断面は平らで粒状に見え、塑性変形の兆候はなく、典型的な脆性破壊を示している。

ボルトの外面を検査すると、ねじ山面が滑らかで、へこみ、亀裂、さび、バリ、その他応力集中の原因となるような欠陥がないことがわかる。

1.2 化学成分分析

折れたボルトと比較用のボルトの中心部からワイヤー切断サンプルを採取した。切断面をサンドペーパーで平滑にし、アルコールで洗浄した後、フルスペクトル垂直直読分光計で化学成分を分析した。

実験の結果、両試料の化学組成は、DL/T 439-2018 Technical Guidelines for High Temperature Fasteners in Fossil Fuel Power Plantsに規定されている20Cr1Mo1VNbTiB鋼の要件を満たしていた。

1.3 機械的特性試験

折れたボルトと折れていないボルトの両方について、硬さ試験、引張試験、Uノッチ衝撃試験を行った。引張試験は、万能材料試験機を用いて室温で行い、引張強さなどの結果を得た、 降伏強度および破断後の伸びを測定した。衝撃吸収エネルギーは、衝撃試験機を用いて室温で測定した。 ブリネル硬度 をブリネル硬度計で測定した。試験結果を表1に示す。

表1 ボルトの機械的特性試験結果

試験の結果、ボルトの硬度、引張強さ、降伏強さ、破断後の伸びは規格要求を満たしていた。しかし、破断したボルトの衝撃吸収エネルギーは25Jしかなく、規格要求値より大幅に低いことがわかった。このことは、破断したボルトの材料が脆く、衝撃荷重に対する抵抗力が低いことを示唆している。

一方、破断していないボルトの衝撃吸収エネルギーは86Jで、基準値をクリアしている。

1.4マクロg組織検査

破断したボルトと破断していないボルトの端面、および破断したボルトの破断面の断面を、DL/T 439-2018の推奨方法に従って、図3に示すようにマクロ構造を検査した。

図3 ボルト端面のマクロ形態

照明の角度を変えて観察すると、ボルトの破断端面と断面には、色と明るさの異なる多角形の粒子がパッチ状に並んでいる。肉眼では、拡大鏡で確認したように、ミクロ組織は平均直径2mm以上のマクロ粗粒で構成されていることが観察できる。

20Cr1Mo1VNbTiB鋼における粗大結晶粒の形成は、製造や熱処理などの製造工程に関連しており、過熱によるものである。これは、熱間加工時の温度がAc1 (パーライト生成の初期温度)を超えると発生する可能性がある。 オーステナイト 変態）、あるいはオーステナイト再結晶温度以上に加熱され、その後急冷されることを繰り返す場合である。

長時間の高温高圧環境では、過熱組織の炭化物が徐々に析出し、材料の衝撃靭性が低下する。

1.5 金属組織検査

図4に示すように、金属組織検査用のサンプルをボルトとねじから採取する。

図4 ボルトの微細構造

破断したボルトのミクロ組織はベイナイトと判定され、結晶粒径は1級で、フレーム構造を示す結晶中にクロス分布した列状ベイナイトが見られた。

一方、破断していないボルトは、結晶粒径が5級の微細なベイナイト組織である。

金属組織検査の結果、破断したボルトの結晶粒径は、DL/T 439-2018 Technical Guidelines for High Temperature Fasteners of Dali Power Plant（大理発電所の高温ファスナーに関する技術指針）に記載されている要件に適合していないことが判明した。

1.6 破壊分析

破断したボルトの破壊形態を走査型電子顕微鏡で調べた。

図5 折損したボルトの破壊微細形状とエネルギースペクトル解析結果

図5aに破面の形態を示すが、破面全体が緻密な酸化物層で覆われている。エネルギースペクトル分析の結果、酸化物は Fe₂O₃図5bに示すように。

運転中に破断したボルトは、破断面が高温に長時間さらされ、表面に緻密な酸化皮膜が形成された。このため、破断面からボルトの破断情報を直接観察することは困難であった。

研究者たちは、ボルトの破壊モードを決定するために、引張と衝撃試料の破壊面を通して材料の破壊形態を研究した。

図6 引張試験片と衝撃試験片の破壊マイクロモルフォロジー

引張試料と衝撃試料の破面を走査型電子顕微鏡で分析した。試料の破壊形態を図6に示す。

図6a)と図6b)は、引張破壊と衝撃破壊の形態を低倍率で示したものである。の剪断リップ面積は 引張破壊 セクションはごくわずかで、破断面積の約 15% を占めている。断面の大部分は放射線領域で占められており、繊維領域はほとんど存在しない。破壊のマクロな形態は、この材料の靭性が低いことを示唆している。

図6c）は、高倍率観察による引張破壊の形態を示す。破面は主に劈開で、わずかにディンプルが見られる。全体的な破面形態は準劈開破壊の特徴に合致している。

図6d）は高倍率観察による衝撃破壊の形態を示す。断面は主に放射線領域であり、断面全体はほとんどが劈開面である。

図6から、試料の破壊は劈開破壊に属し、材料が非常に脆いことがわかる。

2.分析と考察

物理的・化学的検査の結果、ボルトの化学成分、室温での引張特性、硬度、その他の指標は、規格要件を満たしていることが明らかになった。

しかし、このボルトの破壊組織は、粒径1級の粗大粒と、粒内に交差分布するベイナイトの骨格構造を有し、これが材料の脆性を助長している。

について 破壊分析 引張破断面と衝撃破断面を比較すると、材料は劈開破断を起こし、衝撃吸収エネルギーは規格要求値をはるかに下回っている。このことは、この材料が脆いことをさらに裏付けている。

蒸気タービンの高温ボルトは、高温、高応力、蒸気腐食などの厳しい条件下で使用されます。その結果 ボルト材料 は、高温クリープ強度が高く、線膨張係数が小さく、耐リラクセーション性能が高く、耐応力腐食性が強く、ノッチ感受性が低く、耐酸化性が良好でなければならない。

しかし、破断したボルト材は粒組織が粗いため脆性が高く、起動・停止や単位負荷変動による衝撃応力に耐えられない。

3.結論と提案

タービンの高温ボルトは粗大結晶粒を有し、高温高圧条件下で長期間使用されたため、炭化物が徐々に析出し、材料の衝撃靭性が低下している。

その結果、高温ボルトは、ユニットの起動、停止、ユニット負荷の変動による衝撃応力で脆性破壊を起こす。

したがって、火力発電所では、保守点検時にタービンの高温ボルトについて100%超音波検査と100%硬さ検査を実施し、これらの検査に合格しないボルトは交換することが推奨される。