某汽輪機高壓主汽閥門桿斷裂原因

胡美些

(內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,呼和浩特 010070)

汽輪機主汽閥是主蒸汽進入汽輪機前的第一道閥門，是保證機組安全啟停和運行的關(guān)鍵部件，長期承受著高溫、高壓工況下的復(fù)雜負荷[1]。新能源的使用和電網(wǎng)調(diào)峰使汽輪機調(diào)節(jié)閥承受的負荷不僅集中于啟停階段，而且還產(chǎn)生于機組運行的過程中，增加了汽輪機調(diào)節(jié)閥的斷裂風(fēng)險。DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中并沒有涉及汽輪機調(diào)節(jié)閥的金屬監(jiān)督，進一步增加了該類部件的斷裂風(fēng)險，而且該類部件斷裂之后會導(dǎo)致相應(yīng)機組停機，由此帶來的經(jīng)濟損失以及對電網(wǎng)的沖擊同樣不可忽視[2-5]。

某熱電公司汽輪機高壓主汽閥門桿在運行過程中發(fā)生斷裂。該汽輪機功率為600 MW，進氣壓力為16.67 MPa，進氣溫度為538 ℃，再熱溫度為538 ℃。在升負荷時發(fā)現(xiàn)開啟高壓調(diào)速汽門負荷無變化，初步判斷高壓主汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，停機檢查發(fā)現(xiàn)門桿發(fā)生斷裂。

該門桿所用材料為2Cr12NiMo1W1V馬氏體不銹鋼。2Cr12NiMo1W1V鋼是在12%Cr(質(zhì)量分數(shù))鋼基礎(chǔ)上，調(diào)整碳、鎢、鎳和鉬元素含量研制而成的國產(chǎn)馬氏體不銹鋼，常用作鍋爐、汽輪機、動力機械等高溫下工作的零部件，在汽輪機中主要應(yīng)用于門桿、閥碟、擴散器等部件[6-8]。2Cr12NiMo1W1V鋼的熱處理工藝為1 040～1 070 ℃淬火+660～700 ℃回火調(diào)質(zhì)處理。氮化處理可以使材料表面形成具有良好強度和韌性的氮化層，提高門桿表面的強度、耐磨性、耐腐蝕性和抗咬合性能，因此，門桿成型后需進行表面氮化處理。筆者對斷裂門桿進行一系列理化檢驗與分析，查明該門桿的斷裂原因，并給出解決措施，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

利用FinePix HS33EXR型數(shù)碼相機對斷裂門桿進行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：門桿斷裂于漏氣“十字”形通孔處，斷口處有較為明顯的頸縮變形現(xiàn)象；近斷口處表面有眾多沿周向分布的細小裂紋，斷裂起源于門桿表面；斷口的主要擴展區(qū)與門桿軸向交角呈45°，具有較為典型的軸向拉應(yīng)力過載斷裂特征，該處可見直徑為5 mm的“十字”形通孔，是門桿承載截面積最小的部位；斷口側(cè)面可見較為明顯的與套筒摩擦和擠壓的痕跡，門桿表面有一定厚度的氧化皮。

圖1 斷裂門桿的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

使用SPECTRO MAXx型臺式直讀光譜儀對斷裂門桿進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見門桿材料中各元素含量均符合GB/T 20410—2006 《渦輪機高溫螺栓用鋼》對2Cr12NiMo1W1V鋼的要求。

表1 斷裂門桿的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗

從門桿斷口處截取試樣，并進行金相檢驗，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：門桿斷口及基體部位的組織均為回火馬氏體，晶粒粗大，晶粒度等級約為0級；表層部位的組織基本為回火索氏體，晶粒細小，晶粒度等級為10級，表層與基體部位的晶粒度差別很大；表層可見厚度約為150 μm的滲氮層，滲氮層中可見眾多微小裂紋；表層可見厚度約為100 μm的氧化皮。

1.4 力學(xué)性能測試

從斷裂門桿處取樣，使用電子萬能試驗機進行拉伸試驗，使用數(shù)字沖擊試驗機進行沖擊試驗，測試結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，斷裂門桿的屈服強度及抗拉強度均低于GB/T 20410—2006的最低要求，沖擊吸收能量接近GB/T 20410—2006的最低要求。

圖2 斷裂門桿的顯微組織形貌

表2 斷裂門桿的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

用掃SEM對門桿的沖擊試樣斷口進行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，斷口整體呈現(xiàn)準解理斷裂特征，局部有沿晶斷裂傾向[9]。

圖3 斷裂門桿沖擊試樣斷口的SEM形貌

2 綜合分析

當汽輪機正常運行時，主汽閥全開，用于控制進入氣缸的蒸汽流量；當汽輪機停機時，主汽閥關(guān)閉，特別是當汽輪機緊急停機時，主汽閥要實現(xiàn)快速關(guān)閉，切斷汽源。對于600 MW等級的汽輪機組，要求主汽閥完成關(guān)閉動作的時間小于0.2 s[10]。主汽閥的頻繁關(guān)閉和開啟，使門桿頻繁承受載荷的作用，并在門桿“十字”形通孔處產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。主汽閥關(guān)閉開啟的過程中，門桿與套筒間會發(fā)生反復(fù)摩擦和擠壓，這些都是導(dǎo)致門桿斷裂的外因[11]。

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，門桿材料中各元素含量均符合標準要求，可以排除錯用材料的情況。從金相檢驗結(jié)果可知，門桿斷口及基體部位的組織與表層部位的組織不一致，且晶粒度差別很大。經(jīng)正常的調(diào)質(zhì)熱處理后，2Cr12NiMo1W1V鋼表層與心部的組織應(yīng)為回火索氏體，且各部位晶粒大小均勻，整體具有良好的強度和韌性[12]。該門桿材料表層與心部組織之間晶粒度差別很大，會聚集較大的組織應(yīng)力，且斷口及基體部位組織晶粒粗大，導(dǎo)致材料韌性變差。此外，門桿在運行過程中會承受較大的單向拉伸應(yīng)力[13]。在16.68 MPa，537 ℃的水汽環(huán)境下服役，門桿金屬會發(fā)生氧化并在表面生成一層氧化膜，隨著服役時間的延長，氧化膜逐漸變厚[14-15]。當門桿與套筒采用過盈配合方式時，逐漸增厚的氧化皮會使門桿與套筒的過盈度進一步增大，導(dǎo)致門桿承受的拉力載荷進一步增大。在機組啟動、負荷變化或停機過程中，材料的組織不合格、抵御沖擊載荷的能力下降，使門桿和套筒發(fā)生熱沖擊作用，表層滲氮層處萌生了眾多熱應(yīng)力疲勞微裂紋，在較大的拉應(yīng)力作用下，門桿上承載截面最小且應(yīng)力集中的“十字”通孔處形成了最大的過載，最終導(dǎo)致門桿斷裂。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

該汽輪機高壓主汽閥門桿斷裂的主要原因為：門桿材料的熱處理工藝不當、門桿與套筒之間的過盈配合、門桿和套筒發(fā)生的熱沖擊作用，使門桿表層滲氮層處萌生了眾多熱應(yīng)力疲勞微裂紋，當拉應(yīng)力較大時，裂紋擴展，最終導(dǎo)致門桿斷裂。

3.2 建議

(1) 排查其他同類型門桿是否有熱應(yīng)力疲勞微裂紋及過盈度較大的情況。

(2) 改進熱處理工藝，調(diào)整淬火和高溫回火的保溫時間和冷卻速率，確?；w中細小、彌散分布的碳化物有足夠時間析出和均勻化。如果一次高溫回火后材料的力學(xué)性能不能滿足要求，可以考慮二次高溫回火。

(3) 設(shè)計時充分考慮門桿受力特性和工作時的高溫、高壓環(huán)境，改進門桿結(jié)構(gòu)，加強對門桿的強度校核，選擇合適的“十字”形通孔直徑，避免在同一橫截面上出現(xiàn)多個孔分布，盡量減小應(yīng)力集中。

(4) 采用噴焊+涂層工藝技術(shù)對滑動面進行抗氧化處理，減少氧化層，同時降低拉伸載荷，保證滑動面的抗氧化能力以及摩擦性能，避免門桿卡澀；對非接觸面采用超音速工藝噴涂抗氧化涂層，保證不產(chǎn)生、不脫落氧化物；門桿采用超音速噴涂工藝噴涂抗氧化涂層Cr3C2-NiCr，取消氮化層。

(5) 生產(chǎn)廠家加強對出廠產(chǎn)品的檢驗與驗收。電力企業(yè)要對門桿動作進行重點監(jiān)控，定期對門桿開孔部位進行無損檢測，對于表面的微小裂紋早發(fā)現(xiàn)、早處理。