探究電站閥門閥桿斷裂原因

王 書

(江蘇火電電力設備制造有限公司，江蘇 鹽城 224051)

電站閥門閥桿出現斷裂故障在一定程度上會影響電站設備正常穩(wěn)定運行。 為減少電站相關事故的發(fā)生，電站運維人員應定期更換有斷裂傾向的閥桿。電站應做好對相關人員的培訓工作，強化工作人員操作規(guī)范意識，以此來防止因人為因素而引發(fā)的閥門閥桿斷裂故障。在明確電站閥門閥桿斷裂原因的前提下，如何采取針對性的故障解決措施，是目前各相關人員需要考慮的問題。

1 電站閥門閥桿斷裂故障原因分析

1.1 電站閥門閥桿斷裂故障原因

電站閥門閥桿斷裂故障經常出現在上下螺紋根部，其主要原因為該部位橫截面積較小，極易出現應力集中等情況。通過對電站實際運行情況的調研和分析可知調試過度使電站閥門結構處的螺母松動，閥蓋向上轉移，導致閥桿螺母被卡住，進而造成電站閥門閥桿出現斷裂故障[1]。此外，閥桿斷裂事故易發(fā)生在閥門開啟的瞬間，主要原因為：閥體中腔關閉后使得內部壓力驟然上升，封閉后閥體內部壓力過載促使其閥桿上的螺紋根部斷裂。

1.2 試驗調查

為了查出電站閥門閥桿出現斷裂故障的準確原因，以某電站已發(fā)生斷裂故障的閥門閥桿作為對象開展試驗檢查。經過開缸檢查后發(fā)現，閥桿與閥瓣之間相互連接的部位發(fā)生了斷裂，斷裂閥桿的制作材料為 S43100馬氏體不銹鋼。在明確閥桿制成材料等情況后，對已經斷裂的閥桿進行深入探究和分析，快速查找出電站閥門閥桿斷裂的原因，為制定解決措施提供參考依據，以減少類似斷裂故障的發(fā)生，最大程度上確保電站正常穩(wěn)定運行。閥門局部結構如圖1所示。

圖1 閥門局部結構

1.3 斷裂故障現場調研

經現場調研發(fā)現，閥桿斷裂位置為閥桿與閥瓣之間的連接處，連接區(qū)域表面較為粗糙，同時具有較深的“溝痕”。初步判斷“溝痕”現象的出現，主要是該部件在加工時遺留下的缺陷，當部件受到外部壓力時，極易導致該部件表面發(fā)生“缺口效應”。除此之外，發(fā)現與閥桿相互連接的閥瓣密封面上有許多劃痕，連接區(qū)域也存在著大約 30 mm的壓痕。將閥瓣取出后對其進行檢查，發(fā)現該部件在安裝時選擇了專門的工裝，分析表明當電站閥門閥桿發(fā)生斷裂時，兩個閥座將與閥門相連接的閥瓣卡死在中間[2]。通過查詢電站現場操作記錄，顯示當發(fā)電機無法正常電動操作時，需要依靠手動來進行操作。由于手動操作缺乏一定的力矩保護，使得與閥門相連接的閥瓣卡死在兩個閥座之間，導致閥桿不能向上或向下移動，進而使閥桿與閥瓣相互連接的接觸區(qū)域承受過大的扭轉力矩，影響了電站發(fā)電機正常的運行。

1.4 試驗檢測

(1) 有限元模擬試驗。通過對上述故障閥門閥桿故障斷裂原因進行初步分析，了解到閥桿的受力情況與閥桿斷裂故障有一定的聯系。為明確電站閥門閥桿在工作時與閥瓣相互連接處的應力分布情況，在初步分析的基礎上進行了有限元模擬試驗。為確保試驗結果的精準可靠，在開展受力模擬試驗時，輸入擬定好的扭轉力矩參數，同時劃分網格單元數，試驗得到閥桿接頭處的應力分布情況。各項數據顯示，閥桿變截面倒角處是閥桿與閥瓣接頭處最大的應力分布區(qū)域，并與電站閥門閥桿實際斷裂位置一致。

(2) 化學成分檢測。斷裂閥桿的制造材料為S43100馬氏體不銹鋼。對該閥桿進行化學成分檢測，通過對各項數據的分析可知，閥桿制造材料中所含有的化學成分基本符合相關技術標準，并無異?，F象。

(3) 金屬及合金化學成分與硬度檢測。為了檢測閥桿金屬及合金組織與硬度是否正常，通過檢測閥桿不同部位，以此來確定閥桿斷裂區(qū)域金屬及合金組織參數及硬度是否符合標準要求。硬度測試結果顯示，斷裂閥桿存在硬度分布不均勻的情況，尤其是非螺紋部位的硬度明顯高于尾部螺紋區(qū)部位的硬度，由此可以得出已斷裂的閥桿硬度與相關標準要求嚴重不符，充分說明閥桿的硬度與電站閥門閥桿發(fā)生斷裂故障有著一定聯系。

(4)拉伸試驗。對已斷裂閥桿不同部位進行拉伸試驗，以此來確認閥桿材料拉伸性能是否符合相關標準要求。如圖2所示。

圖2 閥桿不同部位拉伸試驗

各項數據顯示，雖然已斷裂閥桿的抗拉強度與屈服強度符合相關標準要求，但是斷后伸長率與斷面收縮率明顯不符合相關標準要求。此外，為了確認斷裂閥桿材料韌性，同時也對閥桿不同部位進行了沖擊試驗。試驗結果表明該斷裂閥桿材料的韌性相對較差。

與此同時，利用電子顯微鏡對閥桿斷口與斷面進行觀察，發(fā)現該閥桿斷口較為平整，閥桿表面均存在主裂紋與次裂紋，有較小區(qū)域的裂解面在裂紋源附近，沿晶斷裂是裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)主要顯示的特征，并且呈較為明顯的冰糖狀[3]。閥桿斷口裂紋走向呈垂直狀態(tài)且表面附著的晶粒輪廓較為明顯和清晰，該晶粒表面有爪痕狀撕裂條紋，與氫元素導致沿晶脆性斷口現象基本符合。S41300馬氏不銹鋼是斷裂閥桿制造材料。該材料雖具有強度高等優(yōu)點，但韌性、塑性等方面性能較差，尤其是對氫元素較為敏感。在應力的作用下，使得氫元素在應力集中區(qū)富集，進而導致電站閥門閥桿極易出現氫脆。由此可知，電站閥門閥桿斷口明顯符合氫元素導致的沿晶脆性斷口特征。

1.5 具體斷裂原因分析

當電站閥門閥桿無法正常電動操作時，需要采取手動進行操作。由于手動操作無力矩保護，導致與閥桿相連接的閥瓣被卡死在兩個閥座之間。結合圖 1閥門結構分析，發(fā)現當閥桿不能正常提拉時會使得閥桿與閥瓣兩者之間的接觸面產生較大的扭轉力矩，應力作用下，當閥桿承受扭轉力矩時，閥桿變截面倒角處為應力集中點，也就是閥門發(fā)生斷裂的位置。綜上所述，當電站閥門閥桿無法正常提拉時，仍需要承受較大的扭轉力矩，進而誘發(fā)閥門斷裂。

因 S41300馬氏不銹鋼是閥門的主要制造材料，根據硬度測試結果可知，該材料硬度明顯高于相關標準要求最低數值，閥桿材料硬度過高會影響閥門正常提拉。由拉伸試驗結果可知，雖然拉伸強度高于相關標準要求，但是塑性指標并不符合相關標準要求，加上沖擊試驗結果顯示，沖擊吸收功較低，使得閥桿材料整體沖擊性能較差?？偟膩碚f，強度高、韌性低以及塑性低是斷裂閥桿的明顯特征，同時斷裂閥桿材料對氫元素與表面“缺口效應”相對敏感。在高于屈服強度的應力作用下，電站閥門閥桿極易發(fā)生氫致脆性斷裂。此外，閥桿與閥瓣相互接觸面因加工質量問題出現“溝痕”，會使連接處接觸表面產生“缺口效應”。由此可知，閥桿的材料性能、對氫脆敏感以及加工質量問題是導致電站閥門閥桿出現斷裂故障的實質原因。

1.6 試驗結論

通過對斷裂閥桿開展各項試驗，并得出相應的數據。對數據進行深入的分析和探究，總結了電站閥門閥桿出現斷裂的原因主要涉及以下幾個方面。

(1) 沿晶脆性斷裂。閥桿與閥瓣相連接區(qū)域變截面倒角處是閥桿斷裂常見位置，閥桿端口整體呈平坦狀態(tài)，閥桿表面均有主裂紋與次裂紋存在，符合氫致沿晶脆性斷口特征。閥桿材料的力學特征不符合相關要求，加上該材料對氫元素較為敏感，是導致其斷裂的原因之一。

(2) 機械故障。造成閥桿不能正常提拉，是因與閥桿相連接的閥瓣卡死在兩個閥座之間。在此過程中，閥桿仍需要承受較大的扭轉力矩，進而引發(fā)電站閥門閥桿出現斷裂故障。

(3) 閥桿與閥瓣的接觸面因加工質量問題，使得接觸面存在“溝痕”，易產生“缺口效應”。各項試驗結果表明，閥桿材料強度高、韌性低、塑性低是閥桿斷裂故障較為明顯的特征。

2 防止電站閥門閥桿斷裂的措施

根據電站實際運作情況，應進一步改進與完善閥門閥桿結構設計，提升閥桿能夠承受的扭轉力矩，并選擇合適的閥桿制造材料。材料的選擇除了符合硬度相關標準要求以外，還要增強閥桿整體韌性與塑性[4]。為有效防止電站閥門閥桿再次發(fā)生類似的斷裂故障，電站運維人員應檢測與斷裂閥桿同一生產批次的閥桿硬度，一旦發(fā)現不符合規(guī)定標準要求的閥桿，必須及時更換，以此減少電站閥門閥桿斷裂故障的發(fā)生。同時電站應加大閥門操作培訓力度，邀請專家開展講座活動，確保電站每個工作人員都能精準地掌握操作技巧，逐漸養(yǎng)成嚴格按照相關規(guī)范要求來進行操作的習慣，規(guī)范員工操作行為，避免因人為因素導致閥門閥桿出現斷裂故障。安裝閥門扭轉力矩保護裝置，并加大對電站各運行部位防護力度，有效預防閥桿斷裂等類似故障的發(fā)生，在有效降低電站閥門閥桿出現類型斷裂故障的幾率的同時，也能減少電站機組運維費用與工作量。

為提升電站設備運行的安全性與穩(wěn)定性，從運行疲勞與應力集中這兩方面入手，對電站閥門閥桿的整體結構和工作環(huán)境進行調整和改善。調整電站機組整體性能及閥桿制造材料，在一定程度上能夠有效減輕電站設備運行時對閥桿產生的振動；對閥桿與閥瓣接頭處應力集中部位進行修整，縮小閥桿與閥瓣之間的間隙；盡可能選擇抗氧化性、硬度、韌性與塑性指標較好的材料，加強閥桿加工質量審核，保證閥門閥桿表面平滑性，避免閥桿應力過于集中；另外，加強與部件供應廠家加強溝通，合理設計電站閥門閥桿結構，最大限度減少電站閥門閥桿斷裂故障的發(fā)生，有效增加閥桿使用壽命，提升電站整體運行的安全性。

除此之外，應充分考慮電站運行的特殊性，使電站閥門閥桿的設計、安裝以及拆卸符合電站運行的條件和要求，明確閥桿與各連接部件之間的硬度差異，同時對閥門閥桿采取防腐蝕措施，在有利于降低閥桿斷裂故障發(fā)生幾率的同時，確保電站中各項設備安全穩(wěn)定運行。在選擇閥門閥桿時必須要明確金屬成分、硬度以及拉伸等各項參數的指標要求，最大限度達到電站安全運行標準及居民用電需求。

3 結語

通過對電站閥門閥桿出現斷裂的原因進行分析和研究，發(fā)現導致閥門閥桿斷裂的原因有自身承受力差、閥桿材料質量不達標等因素。為了防止電站閥門閥桿斷裂等一系列故障的發(fā)生，電站運維人員應對閥桿硬度等進行檢測，一旦發(fā)現閥桿硬度超出規(guī)定標準，及時對閥桿進行更換，同時應加強對電站相關人員操作的培訓，有效降低電站閥門閥桿斷裂故障發(fā)生的幾率。