汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂的原因分析

孫強(qiáng)，陳國星，付鑫，朱利榮，沈建峰，陳金泉

（1.浙江秀舟熱電有限公司，浙江 嘉興 314007；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 研究背景

現(xiàn)代電廠汽輪發(fā)電機(jī)組的任務(wù)是供給電力用戶一定數(shù)量的電能，且根據(jù)電力用戶的需要能及時(shí)地改變所發(fā)出的功率。調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的功率，主要通過改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量來實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)閥作用是按照控制單元的指令來調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量大小，以使機(jī)組受控參數(shù)（功率或轉(zhuǎn)速、進(jìn)汽壓力、背壓等）符合運(yùn)行要求。由于機(jī)組的長期運(yùn)行,會(huì)引起閥桿的損傷、變形、甚至斷裂等問題。

某電廠機(jī)組調(diào)節(jié)閥由閥桿、閥梁、閥碟及閥座組成，閥梁的提升由2根閥桿帶動(dòng)，閥桿密封由套簡間柔性石墨圈材料進(jìn)行密封。設(shè)計(jì)進(jìn)汽溫度：535℃，進(jìn)汽壓力：9.2MPa，最大進(jìn)汽量為140t/h，負(fù)荷為15MW。某天設(shè)備正常運(yùn)行過程中，在沒有任何操作的前提下，工作人員發(fā)現(xiàn)進(jìn)汽量驟減50%左右，操作后進(jìn)汽量仍無明顯波動(dòng)，緊急停機(jī)后檢修人員檢查發(fā)現(xiàn)一側(cè)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂。閥桿斷裂是汽輪機(jī)最嚴(yán)重的故障之一，因此，對(duì)調(diào)節(jié)汽閥斷裂原因進(jìn)行研究,對(duì)提高背壓發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

本文以斷裂的調(diào)節(jié)閥閥桿為研究對(duì)象,對(duì)閥桿斷裂部位的宏觀形貌和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究分析,并在閥桿斷口部位進(jìn)行了一系列表征，主要包括金相組織、微觀硬度分布、能譜分析等手段，同時(shí)，結(jié)合閥桿自身的服役環(huán)境及背景來綜合討論該閥桿的失效原因，旨在為該類閥桿在以后的設(shè)計(jì)、加工和使用過程中降低其發(fā)生斷裂的概率。

2 樣品制備及表征

2.1 試樣材料

調(diào)節(jié)閥閥桿的材質(zhì)為2Cr12MoV，運(yùn)行一段時(shí)間后，閥桿發(fā)生斷裂，對(duì)斷口區(qū)域進(jìn)行取樣分析，選取的區(qū)域利用線切割經(jīng)行截取，截取試樣片經(jīng)行鑲嵌，方便進(jìn)行組織觀察。

2.2 測試方法

對(duì)取樣試樣進(jìn)行鑲嵌，然后按照400/800/1200#砂紙順序研磨、拋光，再采用4%硝酸酒精腐蝕10s，超聲清洗吹干后，最后利用ZEISS金相顯微鏡觀察試樣金相組織；采用電火花成分檢測儀檢測閥桿成分；采用QNESS顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試，載荷選擇0.3kg，保載15s；采用SANS萬能試樣拉伸機(jī)對(duì)試棒進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為0.5mm/min；采用掃描電鏡觀察斷口形貌，并采用自帶的能譜分析儀對(duì)閥桿成分進(jìn)行檢測，探究閥桿斷裂原因。

3 結(jié)果與討論

3.1 斷口形貌分析

圖1 顯示了閥桿斷裂處的宏觀形貌，可以看出，整個(gè)斷面呈圓臺(tái)狀分布，斷口處有著明顯的劃痕，應(yīng)該是閥桿受力不均所導(dǎo)致的?？赡苁菙嗔亚笆艿阶矒舻挠绊?，邊緣處出現(xiàn)了極深的凹槽，其有效厚度最薄，應(yīng)該是整根閥桿受力最惡劣的區(qū)域，且整個(gè)斷面較為平整，無明顯變形，因此，判斷閥桿應(yīng)為脆性斷裂。

如圖2所示，是用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)斷口處拍攝的微觀圖像。從圖中可以看出，閥桿的斷口已經(jīng)遭到破壞，表面呈現(xiàn)出高低起伏不平的凹凸質(zhì)感，并伴有少許粒徑不均的粉末狀顆粒，似乎是表面生成了大量的氧化物，為了進(jìn)一步確定成分，利用掃描電鏡自帶的能譜分析儀對(duì)其進(jìn)行檢測，如圖3所示，從圖中可以看出，粉末中含有豐富的氧元素，這應(yīng)該與閥桿所處的工作環(huán)境有關(guān)。

圖2 閥桿斷口的微觀形貌

圖3 斷口處的能譜分析

3.2 閥桿成分檢測

通過查詢廠家提供的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)圖紙，確定該閥桿材質(zhì)為2Cr12MoV，為馬氏體不銹鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1221-1992，該材質(zhì)主要用于汽輪機(jī)葉片、盤、葉輪軸、螺栓等領(lǐng)域，建議服役環(huán)境溫度不超過540℃。表1顯示了閥桿材質(zhì)的成分及含量，鑒于能譜分析儀的局限性，為了保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，本文對(duì)試樣進(jìn)行了電火花成分檢測，以便驗(yàn)證其中輕元素以及微合金元素的含量。從表中可以看出，各成分含量均在合理的區(qū)間內(nèi)，表明閥桿材質(zhì)滿足2Cr12MoV的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

表1 閥桿材質(zhì)的成分及含量

3.3 金相組織觀察

為了更加清晰地認(rèn)知閥桿斷裂的內(nèi)在原因，本文從斷裂處選取不同的位置進(jìn)行制備試樣，觀察閥桿斷裂處的金相組織。如圖4所示，可以看出，閥桿的金相組織為馬氏體組織，這與2Cr12MoV馬氏體不銹鋼材質(zhì)是一致的。但是，組織中晶粒較大，且存在較為明顯的帶狀缺陷結(jié)構(gòu)，通常這種帶狀缺陷結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與金屬的熱處理工藝有關(guān)，馬氏體不銹鋼的熱處理標(biāo)準(zhǔn)涉及退火、淬火、及回火三個(gè)步驟，任何環(huán)節(jié)的溫度掌控不到位都會(huì)對(duì)材質(zhì)本體造成負(fù)面影響。此外，馬氏體組織中含有少量的殘余奧氏體，這些殘余奧氏體會(huì)降低材料的強(qiáng)度等性能。

圖4 閥桿的金相組織

3.4 硬度測試

除了對(duì)樣品的成分以及金相組織檢測外，本文還對(duì)閥桿的力學(xué)性能也進(jìn)了測試，如圖5所示，為閥桿的微觀硬度。硬度是指材料局部抵抗硬物壓入或刺入其表面的能力，通常以材料表面局部塑性變形的大小來比較被測材料的軟硬。圖5顯示了樣品橫向及縱向的微觀硬度數(shù)據(jù)，可以看出，兩個(gè)部位的數(shù)據(jù)相差不大，大約都在270～306HV，標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1221-1992標(biāo)準(zhǔn)可知，2Cr12MoV的硬度不大于321HB，換算成維氏硬度不大于330HV左右。由此，從硬度檢測結(jié)果來看，閥桿的硬度基本滿足需求。

圖5 閥桿樣品的微觀硬度

3.5 拉伸性能測試

將閥桿制作成Φ10mm的圓棒拉伸試樣，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，從表2中可以看出，閥桿的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值，這說明材料的強(qiáng)度降低，抵抗外力的能力較差，在工作載荷下，更容易發(fā)生斷裂。并且部件本身如果存在有缺陷，如有尖角、劃痕、內(nèi)部夾渣等，在工作應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋源，隨著交替變化的應(yīng)力作用，裂紋源逐漸會(huì)發(fā)展為微小裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，直至斷開。

表2 閥桿的拉伸性能

4 結(jié)語

閥桿斷裂是汽輪機(jī)最嚴(yán)重的故障之一，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行研究，對(duì)提高機(jī)組的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。本文采用形貌分析、成分檢測、金相組織觀察、硬度測試、強(qiáng)度測試等表征手段，對(duì)閥桿斷裂的原因進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）閥桿的材質(zhì)成分、硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）樣品的斷口較為平整，無明顯變形，判斷為脆性斷裂。

（3）斷裂閥桿的金相組織為馬氏體，雖然材質(zhì)成分滿足要求，但組織中晶粒較大，存在較明顯的帶狀異常結(jié)構(gòu)，且含有少量的殘余奧氏體，這些缺陷組織會(huì)降低閥桿的強(qiáng)度。

（4）閥桿的拉伸性能均低于標(biāo)準(zhǔn)值，說明材料抵抗外力的能力較差，在工作載荷下更容易發(fā)生斷裂。

（5）2Cr12MoV建議使用溫度不超過540℃，而閥桿實(shí)際運(yùn)行溫度為535℃，屬于臨界溫度，所以，這在一定程度上也會(huì)影響材料的力學(xué)性能。