給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥閥桿斷裂原因分析

于宏辰

(大唐東北電力試驗研究所有限公司，吉林 長春 130000)

發(fā)電機組運行過程中，轉(zhuǎn)子、葉輪、葉片等部件承受很大的離心力，且離心力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加.當轉(zhuǎn)速超過一定極限時調(diào)節(jié)汽閥的作用是按照控制單元的指令改變進入汽輪機的蒸汽流量，以使機組受控參數(shù)(功率或轉(zhuǎn)速、進汽壓力、背壓等)符合運行要求.因此，調(diào)節(jié)氣閥在很大程度上保證了汽輪發(fā)電機組的安全運行.然而，由于設(shè)備金屬部件受設(shè)計、制造、運行環(huán)境等因素影響，在使用過程中難免會出現(xiàn)材質(zhì)的老化、變形、損傷、甚至斷裂破壞等問題[1-4].因此，本論文采用相關(guān)的技術(shù)手段對給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥閥桿進行失效分析，確定其斷裂原因，以避免和防止類似事故的再發(fā)生.

某電廠給水泵汽輪機調(diào)節(jié)汽閥閥桿發(fā)生斷裂，該機組為杭州汽輪機股份有限公司生產(chǎn)制造，產(chǎn)品代號T6948，產(chǎn)品型號NK63/71/0.設(shè)計材質(zhì)為2Cr12MoV，且經(jīng)滲氮工藝處理.實際工作溫度：380 ℃，工作壓力：1.0 MPa.機組累計小時約4萬小時，累計啟停次數(shù)56次.

1 結(jié)果與討論

1.1 宏觀檢查

檢查結(jié)果見圖1.

圖1 失效閥桿及其斷口的宏觀形貌.

對失效閥桿進行宏觀檢查，如圖1(a)所示.從圖中發(fā)現(xiàn)，斷裂閥桿根部存在長度約10 mm退刀槽，加工刀痕痕跡明顯(圖2(a)).圖1(b)為斷口宏觀形貌，從圖中可以看出斷口左側(cè)區(qū)域(A、B兩區(qū))截面相對平滑，無明顯銹層，但并不光亮，約半圓為疲勞孤帶區(qū)，證明此處是先斷裂區(qū)，即疲勞裂紋源區(qū)(A)和裂紋擴展區(qū)(B).C區(qū)斷口粗糙，有金屬光亮，為瞬時靜斷區(qū)，通過斷口分析可以確定整體斷裂形式屬于應(yīng)力疲勞脆性斷裂.從圖2(b)可以看出，閥桿根部倒角圓弧過小(小于5 mm)，為應(yīng)力集中嚴重位置.

圖2 (a)失效閥桿加工刀痕及(b)根部圓角形貌

1.2 成分分析

對斷裂閥桿進行光譜成分分析，分析結(jié)果如表1所示.

表1 成分分析表

通過所測數(shù)據(jù)可知，閥桿材質(zhì)主要合金元素含量與標準(GB/T 8732-2014)中的2Cr12MoV成分相符.

1.3 硬度檢查

對斷裂閥桿母材、滲氮層硬度進行檢查.其中，母材硬度為263 HB，符合GB/T 8732-2014標準的要求(241-285 HB)；滲氮層硬度為644 HB，符合滲氮工藝硬度要求[5].

1.4 金相檢查

對斷裂閥桿截面進行金相檢查，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出閥桿金相組織為回火馬氏體，組織正常.

圖3 閥桿金相組織圖

1.5 微觀裂紋滲氮層厚度檢查

對閥桿根部截面邊緣進行微觀裂紋檢查,發(fā)現(xiàn)多處與受力方向垂直的裂紋，最長裂紋長度約為400 μm，如圖4(a)所示.作為比較，對閥桿遠離斷口處的邊緣位置進行金相組織檢驗，并未發(fā)現(xiàn)裂紋，具體如圖4(b)所示.結(jié)合1.1節(jié)的討論我們發(fā)現(xiàn)由于閥桿根部退刀槽位置存在明顯加工刀痕，并且根部倒角圓弧過小(小于5 mm)，使該部位存在較大應(yīng)力集中(圖1(c)、(d))[5-10].

圖4 閥桿根部附近(a)和閥桿中部(b)的微觀裂紋檢查

在外加循環(huán)拉應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中位置即加工刀痕和倒角位置會首先萌生疲勞裂紋，根部倒角位置由于應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，裂紋擴展速度也最快，隨著閥桿反復升降及振動，倒角裂紋在外力的長期作用下最先開始向內(nèi)部擴展，最終導致閥桿斷裂.

1.6 滲氮層厚度檢查

閥桿根部附近和閥桿中部的滲碳層厚度的檢查結(jié)果如圖5(a)、(b)所示.從圖中可以看出，閥桿根部附近的滲碳層厚度為281.14 μm，明顯高于閥桿中部位置(120～221.55 μm).這是由于摩擦工況，閥桿中部磨損要比根部嚴重造成.

圖5 閥桿根部附近(a)和閥桿中部(b)的滲氮層厚度檢查

1.7 斷口分析

圖6為閥桿斷裂部位斷口微觀形貌圖.

圖6 裂紋源區(qū)(a)、裂紋擴展區(qū)(b)、最終斷裂區(qū)(c)斷口形貌

圖(a)中樣品斷口邊緣處存在較多未擴展的微觀缺陷(白色箭頭所示)，故此處為裂紋源區(qū).在擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)的斷口形貌為舌狀斷口形貌，屬于解理斷裂，如圖(b、(c)所示.

2 結(jié) 論

綜上所述，斷裂失效原因是由于調(diào)節(jié)汽閥閥桿退刀槽位置存在加工刀痕，表面粗糙度大，且根部過渡圓弧過小(小于5 mm)，造成應(yīng)力集中.在機組運行過程中，閥桿在長期循環(huán)拉應(yīng)力作用下，在應(yīng)力集中最大的根部倒角位置產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋不斷擴展，最終發(fā)生斷裂.建議在機組停運或檢修期間應(yīng)加強對小機排汽蝶閥密封面進行檢查.建議對小機調(diào)節(jié)閥閥桿退刀槽遺留刀痕進行打磨處理，增加表明光潔度，同時適當增加閥桿根部過渡圓弧半徑.

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