聯(lián)合循環(huán)機組高壓主汽閥閥碟失效分析

姚武

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

0 引 言

高壓主汽閥是主蒸汽進入汽輪機的第一道閥門，是保證機組安全啟停和運行的關鍵部件，其主要功能是在危急情況下能迅速自動關閉，切斷進入汽輪機的主蒸汽通路，使機組停止運行以防止產(chǎn)生過大的超速或避免某些不良的后果[1-2]。因其作用關鍵，因此各大汽機制造廠對閥內各機械零部件的質量要求也越來越高。

高壓蒸汽管道上所用的主汽閥門及調節(jié)閥門，是由多種零部件構成的，材料有鑄件和鍛件等[3]。閥門內部件如閥桿、閥碟等在運行時，受到高溫蒸汽介質作用、潤滑劑和填封材料等腐蝕作用及水汽的沖蝕作用，還有閥門頻繁啟閉過程中造成的閥桿和閥碟的磨損等[4]，因此，對閥門內部件也提出了諸多要求：1)所用材料在高溫的長期作用下，需要有較好的強度，并要求具有較好的組織穩(wěn)定性；2)零件表面應進行處理，如氮化、噴涂等。以使其耐磨，避免閥門頻繁的啟閉過程中由于磨損而很快漏氣[5]；3)零件表面應經(jīng)受得住潤滑劑和填封材料的腐蝕作用和水汽的銹蝕及沖蝕作用等。

材料質量和零部件的精密度雖然有較高的要求，但零部件的尺寸、形狀或材料性能會因某種外界因素的作用發(fā)生變化，導致發(fā)生局部或整體斷裂，使其無法或不能滿足使用要求。只有正確地辨認或評價可能影響設計和產(chǎn)品生產(chǎn)的全部潛在失效形式[6]，才能成功地設計并生產(chǎn)出能夠預防過早出現(xiàn)失效問題的產(chǎn)品。同時這也要求設計人員、生產(chǎn)人員至少能夠熟悉可在現(xiàn)場觀察到的各種失效形式，及這些失效形式發(fā)生的條件、特點，并掌握失效預測的分析技術和試驗技術、問題分析的綜合技能。只有這樣才能在設計制造中，在失效預防上采取主動而且有效的措施，依據(jù)對性能、使用壽命、重量、成本等所有要求的評價準則，作出最佳且合理的設計結構。

通過失效分析[7]，找出失效原因，提出有效改進措施以防止類似失效事故的重復發(fā)生，從而保證閥門的安全運行。

1 實例分析

1.1 情況介紹

某電廠125 MW聯(lián)合循環(huán)機組，已投運3 a，檢修時發(fā)現(xiàn)高壓主汽閥閥碟出現(xiàn)裂紋，現(xiàn)取閥碟裂紋部分進行原因分析，閥碟宏觀照片見圖1。閥碟裂紋位于圓筒端部區(qū)域，裂紋沿軸向分布，裂紋長約76 mm；閥碟表面呈黑灰色，局部氧化皮脫落，外表面裂紋局部斷面存在缺失，內表面裂紋附近一側局部存在凸起。

圖1 閥碟取樣部分宏觀形貌

1.2 斷口宏觀分析

閥碟斷口宏觀形貌見圖2。整個斷面較為平坦，沒有明顯的塑性變形，斷面呈青灰色，氧化嚴重；裂紋自閥碟內表面向內部及外表面擴展，端部斷面較為平坦，可見收斂于閥碟表面的放射狀條紋。

圖2 閥碟裂紋形貌

1.3 斷口微觀分析

在SUPRATM55掃描電子顯微鏡下觀察閥碟斷面微觀形貌，斷口微觀形貌見圖3，由圖3可見：斷面較為平坦，氧化嚴重，斷面大部分區(qū)域形貌為氧化物形貌，內表面凸起處斷面連續(xù)，無磕碰磨損形貌。

圖3 斷口微觀形貌

1.4 材質分析

在閥碟上取樣，取樣位置如圖4所示，檢驗閥碟材質的化學成分、硬度和金相組織。

1.4.1 化學成分分析

按照GB/T223“鋼鐵及合金化學分析方法”系列標準對閥碟進行化學成分分析，結果見表1，由表1可見，閥碟鋼的化學成分符合標準的技術要求。

圖4 閥碟材質取樣位置示意圖

表1 閥碟化學成分質量分數(shù)分析結果 %

1.4.2 力學性能

按照GB/T231“金屬布氏硬度試驗方法”在HB3000型硬度試驗機上進行硬度試驗。閥碟的力學性能測試結果見表2，由表2可見，閥碟的硬度滿足標準的技術要求。

表2 閥碟的力學性能測試結果

1.4.3 金相組織

在閥碟上取樣，按照GB13298“金屬顯微組織檢驗方法”、GB/T10561“鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法、GB13299“鋼的顯微組織評定方法”和GB/T6394“金屬平均晶粒度測定方法”，利用Axioyert 40 mat倒置金相顯微鏡對3#金相試樣進行金相檢驗，并對1#金相和2#金相滲氮層層深進行檢驗，結果見表3。金相照片見圖5。可見閥碟的金相組織符合標準的技術要求，但閥碟內表面未按技術要求進行滲氮保護，內表面存在厚度約為0.37 mm的滲氮層，內表面滲氮層分布多條垂直表面的裂紋。

1.5 斷口金相

表3 金相檢驗結果

圖5 閥碟裂紋形貌及基體金相組織 100×

在閥碟斷口不同區(qū)域位置制備斷口試樣，取樣位置見圖6，使用Axioyert 40 mat倒置金相顯微鏡對3個不同位

置的斷口金相試樣進行分析，組織照片見圖7，由圖7可見，一方面，閥碟內外表面存在一定深度的滲氮層，且1#、2#位置斷口附近內外表面滲氮層深度大于其他位置，2#位置內表面凸起處也存在一定深度滲氮層；另一方面，閥碟內外表面存在多條平行于斷口的細小裂紋，裂紋貫穿滲氮層，裂紋尖端較為尖銳。

1.6 設計復核

圖6 斷口金相取樣位置示意圖

閥碟與套筒配合位置如圖8所示。從圖8中可以看到，安裝狀態(tài)下，閥碟出現(xiàn)裂紋位置（圖中云線所示）的內表面不與其他零部件接觸，外表面與套筒間隙配合，理論上不存在摩擦受力；運行狀態(tài)下，閥碟與套筒受熱膨脹，因兩個零件材料相同，沒有脹差，因此理論上也不存在摩擦受力，而裂紋位置整體處于進汽壓力狀態(tài)，不存在壓差，因此，閥碟正常狀態(tài)下，閥碟裂紋位置承受較小的工作應力。

圖7 斷口金相滲氮層深及裂紋形貌

1.7 分析與討論

1）閥碟斷口分析表明，閥碟斷口整體平坦，無塑性變形，可見收斂于閥碟內表面的放射狀棱線，說明閥碟裂紋起始于閥碟表面。另一方面，閥碟內表面斷口單側存在凸起，斷面無磕碰磨損形貌，推測凸起是在裂紋形成后的機械加工過程中形成。

圖8 閥碟裝配示意圖

根據(jù)資料介紹，圓套或空心管類零件淬火時由于內孔冷卻較慢，熱應力較小，內孔表面在組織應力作用下處于拉應力狀態(tài)，而且切向拉應力較大，在淬火過程中圓套或空心管類零件內壁上容易產(chǎn)生縱向淬火裂紋。閥碟裂紋形態(tài)及走向與上述裂紋形態(tài)相符。淬火過程裂紋的產(chǎn)生與組織應力及熱應力有關，如果淬火過程中工藝控制不當引起應力大于材料本身抗力時，便會在缺陷或應力集中等薄弱位置產(chǎn)生開裂，淬火裂紋并不一定存在明顯的裂紋源。即使存在裂紋起始部位，閥碟經(jīng)過上述加工過程，裂紋起始位置也可能被加工掉。

2）閥碟斷口金相分析表明，閥碟上內外表面均存在一定深度的滲氮層，滲氮層存在多條垂直表面的細小裂紋，且斷口附近內外表面滲氮層深大于其他位置，說明閥碟表面在進行滲氮處理前已經(jīng)存在原始裂紋，在滲氮過程中裂紋兩側滲入一定深度滲氮層；另一方面閥碟內表面凸起處存在滲氮層，進一步證明在滲氮處理前閥碟表面原始裂紋的存在。

淬火過程中產(chǎn)生裂紋，斷面在后續(xù)氮化過程中會存在氮化層，根據(jù)實驗斷口金相結果表明，只有靠近內外圓表面位置裂紋存在氮化層深度，這是由于氮化過程實際也是氮原子的擴散過程，靠近外表面氮原子濃度高，氮原子擴散驅動力大，更有利于氮原子擴散，越向裂紋內部氮原子濃度越低，越不利于氮原子擴散。另一方面，裂紋越往內部裂紋張口越小，氮原子擴散通道越窄（實際滲氮過程中出現(xiàn)過由于工件擺放過近而影響滲氮層深的例子），故受氮原子擴散能力限制，只在靠近內外圓表面位置裂紋斷面存在一定的氮化層深。

3）從閥碟材質檢驗結果來看，閥碟化學、硬度和金相檢驗結果均滿足標準的技術要求，即閥碟產(chǎn)生裂紋應與閥碟材質無關。

4）從設計復查結果來看，閥碟與套筒使用同種材質，結構上屬于間隙配合，理論上不承受摩擦力，閥碟運行過程中裂紋位置承受較小的工作應力，即閥碟的工作應力不是導致閥碟產(chǎn)生裂紋的原因。

2 結語

閥碟出現(xiàn)裂紋的主要原因是閥碟表面在滲氮處理前存在原始裂紋。建議嚴把檢驗關，增加無損探傷檢查，保證閥碟表面無原始裂紋。建議加強對閥碟內表面的防滲氮保護，避免閥碟內表面被滲氮。

1）嚴格控制熱處理過程，預防淬火裂紋的發(fā)生。預防工作應從產(chǎn)品設計源頭開始抓起，設計人員應正確地選擇適用材料，合理地進行結構設計、提出科學的熱處理技術要求。零部件設計完成后，熱處理技術人員應對圖樣及相關技術要求進行工藝性審查，最后工藝人員進行全面分析，妥善合理地安排工藝路線。熱處理技術人員應正確制定熱處理工藝，選擇合適的加熱溫度、保溫時間、加熱介質、冷卻介質和冷卻方式，明確在熱處理過程中的操作要點，現(xiàn)場實施前應進行必要的工藝驗證，并要求操作者嚴格正確地執(zhí)行工藝規(guī)定，規(guī)范操作。

2）加強原材料檢驗，控制鍛件質量。鍛件設計完成后，為了保證將來交付的鍛件具有圖樣及相關標準規(guī)定的尺寸精度和力學性能要求，確保鍛件在后續(xù)使用過程中不發(fā)生失效斷裂等問題。應對鍛件的質量進行控制，對從原材料的選擇、入場前的質量檢驗、鍛造過程都應嚴格進行控制，以保證鍛件生產(chǎn)質量的穩(wěn)定和產(chǎn)品的一致。對鍛件用鍛坯及輔料進行入廠前質量檢驗，對制造廠提供的質量證明文件進行審查，確保相關檢驗符合標準要求；對鍛造生產(chǎn)過程中的可變參數(shù)和鍛件的內外部質量進行定期的測定和檢驗，對重要鍛件質量的控制可采取增加無損探傷等手段，避免鍛后裂紋等缺陷的產(chǎn)生，保證零件后續(xù)使用過程中的安全性和穩(wěn)定性。

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