分享：某汽轮机高压主汽阀门杆断裂原因

胡美些 (内蒙古机电职业技术学院,呼和浩特 010070) 

摘 要:某汽轮机高压主汽阀门杆在机组运行过程中发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、 金相检验、扫描电镜分析和力学性能测试等方法,对该门杆的断裂原因进行了分析。结果表明:门 杆材料的热处理工艺不当,造成了材料的组织异常、强度不合格、冲击韧性偏低;门杆与套筒之间为 过盈配合,在表面生成氧化皮的情况下,过盈度进一步增大,在较大的拉应力作用下,产生了应力集 中,门杆的“十字”形通孔处发生过载开裂,最终导致门杆断裂。

关键词:高压主汽阀门杆;热处理;过盈配合;断裂 中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0036-04

汽轮机主汽阀是主蒸汽进入汽轮机前的第一道 阀门,是保证机组安全启停和运行的关键部件,长期 承受着高温、高压工况下的复杂负荷[1]。新能源的 使用和电网调峰使汽轮机调节阀承受的负荷不仅集 中于启停阶段,而且还产生于机组运行的过程中,增 加了汽轮机调节阀的断裂风险。DL/T438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》中并没有涉及汽轮 机调节阀的金属监督,进一步增加了该类部件的断 裂风险,而且该类部件断裂之后会导致相应机组停 机,由此带来的经济损失以及对电网的冲击同样不 可忽视[2-5]。 某热电公司汽轮机高压主汽阀门杆在运行过程 中发生断裂。该汽轮机功率为600 MW,进气压力 为16.67 MPa,进 气 温 度 为 538 ℃,再 热 温 度 为 538 ℃。在升负荷时发现开启高压调速汽门负荷无 变化,初步判断高压主汽阀处于关闭状态,停机检查 发现门杆发生断裂。 该门杆所用材料 为 2Cr12NiMo1W1V 马 氏 体 不锈钢。2Cr12NiMo1W1V 钢是在12%Cr(质量分 数)钢基础上,调整碳、钨、镍和钼元素含量研制而成 的国产马氏体不锈钢,常用作锅炉、汽轮机、动力机 械等高温下工作的零部件,在汽轮机中主要应用于 门杆、阀 碟、扩 散 器 等 部 件[6-8]。2Cr12NiMo1W1V 钢的热处理工艺为 1040~1070 ℃ 淬火 +660~ 700℃回火调质处理。氮化处理可以使材料表面形 成具有良好强度和韧性的氮化层,提高门杆表面的 强度、耐磨性、耐腐蚀性和抗咬合性能,因此,门杆成型后需进行表面氮化处理。笔者对断裂门杆进行一 系列理化检验与分析,查明该门杆的断裂原因,并给 出解决措施,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察

利用 FinePixHS33EXR 型数码相机对断裂门 杆进行宏观观察,结果如图1所示。由图1可知: 门杆断裂于漏气“十 字”形 通 孔 处,断 口 处 有 较 为 明显的颈缩 变 形 现 象;近 断 口 处 表 面 有 众 多 沿 周 向分布的细小裂纹,断裂起源于门杆表面;断口的 主要扩展区与门杆轴向交角呈45°,具有较为典型 的轴 向 拉 应 力 过 载 断 裂 特 征,该 处 可 见 直 径 为 5mm 的“十字”形通孔,是门杆承载截面积最小的 部位;断口侧 面 可 见 较 为 明 显 的 与 套 筒 摩 擦 和 挤 压的痕迹,门杆表面有一定厚度的氧化皮。

1.2 化学成分分析

使用 SPECTRO MAXx型台式直读光谱仪对 断裂门杆进行化学成分分析,结果如表1所示,可见 门杆材料中各元素含量均符合 GB/T20410—2006 《涡轮机高温螺栓用钢》对 2Cr12NiMo1W1V 钢的 要求。

1.3 金相检验 

从门杆断口处截取试样,并进行金相检验,结果 如图2所示。由图2可以看出:门杆断口及基体部 位的组织均为回火马氏体,晶粒粗大,晶粒度等级约 为0级;表层部位的组织基本为回火索氏体,晶粒细 小,晶粒度等级为10级,表层与基体部位的晶粒度 差别很大;表层可见厚度约为150μm 的渗氮层,渗 氮层中 可 见 众 多 微 小 裂 纹;表 层 可 见 厚 度 约 为 100μm 的氧化皮。

1.4 力学性能测试

从断裂门杆处取样,使用电子万能试验机进行 拉伸试验,使用数字冲击试验机进行冲击试验,测试 结果如表2所示。由表2可以看出,断裂门杆的屈 服强度及抗拉强度均低于 GB/T20410—2006的最 低要求,冲击吸收能量接近 GB/T20410—2006的 最低要求。

1.5 扫描电镜(SEM)分析 

用扫 SEM 对 门 杆 的 冲 击 试 样 断 口 进 行 观 察,结果 如 图 3 所 示。 由 图 3 可 以 看 出,断 口 整 体呈 现 准 解 理 断 裂 特 征,局 部 有 沿 晶 断 裂 倾 向[9]。

2 综合分析

当汽轮机正常运行时,主汽阀全开,用于控制进 入气缸的蒸汽流量;当汽轮机停机时,主汽阀关闭, 特别是当汽轮机紧急停机时,主汽阀要实现快速关 闭,切断汽源。对于600 MW 等级的汽轮机组,要 求主汽阀完成关闭动作的时间小于0.2s [10]。主汽 阀的频繁关闭和开启,使门杆频繁承受载荷的作用, 并在门杆“十字”形通孔处产生一定的应力集中。主 汽阀关闭开启的过程中,门杆与套筒间会发生反复 摩擦和挤压,这些都是导致门杆断裂的外因[11]。 由化学成分分析结果可知,门杆材料中各元素 含量均符合标准要求,可以排除错用材料的情况。 从金相检验结果可知,门杆断口及基体部位的组织 与表层部位的组织不一致,且晶粒度差别很大。经 正常的调质热处理后,2Cr12NiMo1W1V 钢表层与 心部的组织应为回火索氏体,且各部位晶粒大小均 匀,整体具有良好的强度和韧性[12]。该门杆材料表 层与心部组织之间晶粒度差别很大,会聚集较大的 组织应力,且断口及基体部位组织晶粒粗大,导致材 料韧性变差。此外,门杆在运行过程中会承受较大 的单向拉伸应力[13]。在16.68 MPa,537 ℃的水汽 环境下服役,门杆金属会发生氧化并在表面生成一 层氧化 膜,随 着 服 役 时 间 的 延 长,氧 化 膜 逐 渐 变 厚[14-15]。当门杆与套筒采用过盈配合方式时,逐渐 增厚的氧化皮会使门杆与套筒的过盈度进一步增 大,导致门杆承受的拉力载荷进一步增大。在机组 启动、负荷变化或停机过程中,材料的组织不合格、 抵御冲击载荷的能力下降,使门杆和套筒发生热冲 击作用,表层渗氮层处萌生了众多热应力疲劳微裂 纹,在较大的拉应力作用下,门杆上承载截面最小且 应力集中的“十字”通孔处形成了最大的过载,最终 导致门杆断裂。

3 结论及建议

3.1 结论 该汽轮机高压主汽阀门杆断裂的主要原因为: 门杆材料的热处理工艺不当、门杆与套筒之间的过 盈配合、门杆和套筒发生的热冲击作用,使门杆表层 渗氮层处萌生了众多热应力疲劳微裂纹,当拉应力 较大时,裂纹扩展,最终导致门杆断裂。 3.2 建议 (1)排查其他同类型门杆是否有热应力疲劳微 裂纹及过盈度较大的情况。 (2)改进热处理工艺,调整淬火和高温回火的 保温时间和冷却速率,确保基体中细小、弥散分布的 碳化物有足够时间析出和均匀化。如果一次高温回 火后材料的力学性能不能满足要求,可以考虑二次 高温回火。 (3)设计时充分考虑门杆受力特性和工作时的 高温、高压环境,改进门杆结构,加强对门杆的强度 校核,选择合适的“十字”形通孔直径,避免在同一横 截面上出现多个孔分布,尽量减小应力集中。 (4)采用喷焊+涂层工艺技术对滑动面进行抗 氧化处理,减少氧化层,同时降低拉伸载荷,保证滑 动面的抗氧化能力以及摩擦性能,避免门杆卡涩;对 非接触面采用超音速工艺喷涂抗氧化涂层,保证不 产生、不脱落氧化物;门杆采用超音速喷涂工艺喷涂 抗氧化涂层 Cr3C2-NiCr,取消氮化层。 (5)生产厂家加强对出厂产品的检验与验收。 电力企业要对门杆动作进行重点监控,定期对门杆 开孔部位进行无损检测,对于表面的微小裂纹早发 现、早处理。

来源：材料与测试网