汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂失效分析

房文軒，陳 浩，孫云飛，楊曉冬，劉小愷

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥能夠改變進(jìn)入缸體的蒸汽流量，其組件動作是否靈活、行程是否準(zhǔn)確直接影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)組負(fù)荷的穩(wěn)定控制。調(diào)節(jié)閥內(nèi)部充滿了高溫高壓蒸汽，蒸汽紊流引起脈沖，導(dǎo)致閥桿受力不斷變化，振動頻繁[1]。閥桿所受沖擊力一旦超出材料的承載極限，就會造成閥桿失效，威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。某火電機(jī)組在運(yùn)行過程中發(fā)生了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂故障，本文通過力學(xué)性能測試、金相組織檢驗(yàn)、有限元模擬等方法對閥桿斷裂原因進(jìn)行研究，避免同類問題的發(fā)生，保證電源生產(chǎn)的可靠性。

1 故障情況

該機(jī)組調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂于光桿向螺桿過渡的變截面部位（見圖1），過渡角為90°，光桿處直徑為75 mm，螺桿處直徑為42 mm。閥桿整體未見彎曲，也不存在嚴(yán)重的機(jī)械、腐蝕損傷痕跡。斷裂面整潔，無明顯塑性變形，帶有疲勞輝紋形貌?？拷兘孛娌课豢梢杂^察到多個(gè)臺階，這些臺階實(shí)際上是由多個(gè)裂紋源連接而成[2]。

圖1 調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂情況

調(diào)節(jié)閥閥桿材質(zhì)為35CrMo鋼，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.35%左右，屬于典型的中碳合金鋼。斷裂面疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)界限分明，疲勞擴(kuò)展區(qū)較為平坦、細(xì)膩，色澤灰暗，約占整個(gè)斷裂面的40%。剩余部分為瞬時(shí)斷裂區(qū)，顆粒粗糙，存在許多強(qiáng)烈反光的小平面，是最后裂紋快速延伸、劈開形成的區(qū)域。

2 試驗(yàn)分析

2.1 微區(qū)形貌

選擇螺桿側(cè)斷口，經(jīng)超聲波清洗后吹干，通過HITBCHI S-3700N型掃描電鏡（SEM）進(jìn)行閥桿微區(qū)形貌分析。閥桿斷裂起始于變截面部位邊緣，靠近裂紋源的疲勞輝紋非常密集（見圖2），疲勞輝紋的擴(kuò)展方向、路徑并不完全一致，表明此處應(yīng)力情況復(fù)雜。閥桿的瞬時(shí)斷裂區(qū)呈現(xiàn)出河流花樣，具有解理斷裂特征[3]。相鄰解理面之間為撕裂棱。

圖2 閥桿微區(qū)形貌

2.2 化學(xué)成分

在距離螺桿側(cè)斷口附近位置徑向截取試樣，采用SPECTRO MAXx型直讀光譜儀進(jìn)行閥桿近表面、中心區(qū)全元素化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表1所示。從表1可見，閥桿近表面、中心區(qū)化學(xué)成分差別甚微，除了Mo元素以外，其余各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均滿足GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMo鋼的技術(shù)要求[4]。鋼材中加入Mo元素的主要作用是防止高溫（第二類）回火脆性，若Mo元素含量偏高會增加鋼材石墨化傾向、降低材質(zhì)強(qiáng)度。

表1 閥桿各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.3 力學(xué)性能

通常35CrMo合金鋼調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后，應(yīng)具有較好的綜合力學(xué)性能。沿著光桿側(cè)軸向制作拉伸試樣2根、沖擊試樣3根，分別在SHT4206、ZBC300型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫測試，根據(jù)測試結(jié)果（平均值）判斷閥桿強(qiáng)度和韌性是否符合要求，結(jié)果見表2。

表2 閥桿力學(xué)測試結(jié)果

閥桿的Rm、Rp0.2均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。材料的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度為正比例關(guān)系，增大自身抗拉強(qiáng)度有利于提升抵抗疲勞失效的能力，由此可以推斷出閥桿的疲勞極限不高。缺口沖擊測試結(jié)果顯示，閥桿的KU2只有42 J，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明材質(zhì)的韌性較差。

2.4 金相組織

使用Axio Observer A1m型顯微鏡觀察研究螺桿側(cè)斷口附近位置的金相組織形態(tài)變化。閥桿的金相組織沿徑向較均勻，為層片狀珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，鐵素體沿晶界分布，如圖3所示?？拷行膮^(qū)鐵素體含量增多，占比約12%。

圖3 閥桿金相組織

根據(jù)熱處理制度，35CrMo鋼需850℃淬火油冷+550℃回火水冷或油冷，得到回火索氏體?；鼗鹚魇象w是鐵素體和碳化物的混合物，韌性與塑性優(yōu)異，強(qiáng)度與硬度較高。若調(diào)質(zhì)處理參數(shù)不當(dāng)，淬火溫度過低、保溫時(shí)間不足時(shí)，組織未能完全奧氏體化，在之后的冷卻過程中，鐵素體會部分溶解、大量遺留[5-7]。閥桿中鐵素體越多，持久強(qiáng)度越差[8-11]，而且鐵素體不如回火索氏體對裂紋擴(kuò)展阻力大[12-13]，金相組織檢驗(yàn)結(jié)果佐證了力學(xué)性能測試結(jié)果。

3 應(yīng)力分布仿真計(jì)算

根據(jù)調(diào)節(jié)閥閥桿的設(shè)計(jì)圖紙和測量數(shù)據(jù)構(gòu)建幾何模型，進(jìn)行應(yīng)力水平仿真計(jì)算。采用二階四面體元素法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為13 336，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為23 194。充分考慮閥桿在運(yùn)行過程中的受力狀態(tài)，對閥桿施加軸向拉伸載荷和彎曲載荷，應(yīng)力水平計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 閥桿應(yīng)力分布

由圖4可見，光桿向螺桿過渡的變截面部位等效應(yīng)力最大，存在較高程度的應(yīng)力集中，最大值為928.96 MPa，微裂紋極易在此薄弱位置產(chǎn)生[14-16]。

4 結(jié)論

結(jié)合試驗(yàn)及仿真計(jì)算結(jié)果，綜合分析認(rèn)為該汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂主要原因?yàn)椋?/p>

（1）閥桿沖擊吸收能量低，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。閥桿的金相組織不佳，存在大量網(wǎng)狀鐵素體，強(qiáng)度不高、脆性較大。

（2）閥桿斷裂于光桿向螺桿過渡的變徑部位，該部位采用直角過渡形式，未采取圓弧或倒角處理工藝。局部應(yīng)力集中情況嚴(yán)重，遠(yuǎn)高于閥桿的屈服強(qiáng)度，促進(jìn)了微裂紋的形成。

（3）在調(diào)節(jié)蒸汽流量時(shí)，質(zhì)量不合格的閥桿頻繁承受拉壓、彎曲等多種交變載荷的作用，造成變截面部位邊緣損傷。隨著時(shí)間的推移，損傷部位以疲勞的形式不斷擴(kuò)展，當(dāng)閥桿的有效承載面積不斷減小直至臨界值，閥桿即發(fā)生解理斷裂。