某上汽660 MW機(jī)組高調(diào)門閥桿斷裂分析及處理

習(xí) 超

(浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201)

0 概述

調(diào)節(jié)汽門閥桿斷裂是汽輪機(jī)的嚴(yán)重故障之一，這個(gè)問題曾經(jīng)困擾電廠多年[1～3]，隨著閥門結(jié)構(gòu)、材料與工藝的改進(jìn)，小型汽輪機(jī)上這類事故已很少出現(xiàn)，但國產(chǎn)300 MW、600 MW汽輪機(jī)高壓調(diào)門閥桿脫落現(xiàn)象仍有發(fā)生[4]。某汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、四缸四排汽凝汽式660 MW汽輪機(jī)，型號(hào)為N660-16.7/538/538。其配汽機(jī)構(gòu)為2個(gè)高壓主汽門、4個(gè)高壓調(diào)門、2個(gè)中壓主汽門和4個(gè)中壓調(diào)門。汽輪機(jī)本體、12個(gè)配汽機(jī)構(gòu)汽門及其調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)供貨。

該高壓調(diào)門閥桿與油動(dòng)機(jī)原設(shè)計(jì)通過十字頭連接桿連接，連接桿上下都是螺紋結(jié)構(gòu)，通過螺紋分別與閥桿及油動(dòng)機(jī)活塞桿固定，安裝到位后，配制定位銷。這種結(jié)構(gòu)的連接方式易發(fā)生螺紋咬死和閥桿斷裂故障，后于2018年將螺紋連接改造為現(xiàn)在的法蘭連接固定，保證閥門動(dòng)作時(shí)閥桿連接件為一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體件，新的閥桿與活塞桿連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓調(diào)門閥桿與活塞桿連接方式

1 閥桿斷裂失效情況

1.1 斷裂失效發(fā)生

閥桿斷裂一般發(fā)生在閥桿頭部[1]。2020年6月22日，6點(diǎn)02分，某機(jī)組單閥運(yùn)行過程中，1、2號(hào)振動(dòng)和瓦溫略有上升，1、2、3、4號(hào)高調(diào)開度從18.4%上升至21.7%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)1號(hào)高壓調(diào)門閥桿未開啟。白班，強(qiáng)制指令將1號(hào)高壓調(diào)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)全開后，發(fā)現(xiàn)1號(hào)高壓調(diào)門閥桿頂部斷裂，閥桿斷裂實(shí)物圖和示意位置圖見圖2所示。為保證機(jī)組的帶負(fù)荷能力，采取加工夾具將閥桿臨時(shí)固定到法蘭盤的方式，恢復(fù)1號(hào)高調(diào)的調(diào)節(jié)能力。

圖2 閥桿斷裂實(shí)物圖和示意位置圖

1.2 解體檢修情況

11月6日，某機(jī)組調(diào)停后，安排對(duì)1號(hào)高調(diào)解體檢修更換閥桿，解體對(duì)閥桿斷裂面進(jìn)行了形貌檢查分析，具體見圖3所示，斷裂面為斜口，位于閥桿螺紋段與光桿段變徑過渡處，從斷裂面的裂紋擴(kuò)展形貌分析，并經(jīng)金相專業(yè)檢測(cè)確認(rèn)該裂紋為典型的疲勞裂紋，裂紋起源點(diǎn)為斜口的上端開始，該位置為底部螺牙第二牙處。

圖3 斷裂面形貌特征

2 失效分析

2.1 宏觀分析

樣品整體形貌和宏觀斷口形貌如圖4所示，斷口位于閥桿螺紋段與光桿段變徑過渡處，斷口表面有一半?yún)^(qū)域較為平整，另一半?yún)^(qū)域?yàn)樾泵?，斷面宏觀上未呈現(xiàn)明顯的塑性變形。斷裂的閥桿左側(cè)斷口形貌分成三個(gè)區(qū)域，即裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)。裂紋起源點(diǎn)為斜口的上端開始，該位置為螺紋段第二牙螺紋的根部處；擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞貝紋線，擴(kuò)展區(qū)面積約占整個(gè)斷面的四分之三，并且擴(kuò)展區(qū)前二分之一段疲勞紋間距小，說明裂紋擴(kuò)展比較緩慢，當(dāng)擴(kuò)展至一半面積時(shí)，疲勞紋間距增大，并且還伴隨有撕裂棱，說明此時(shí)裂紋快速擴(kuò)展，直至最后撕裂。斷裂的閥桿右側(cè)斷口有磨損的痕跡(見圖4c)。從整個(gè)斷口形貌來看，可初步確定閥桿是在低名義應(yīng)力下存在中等應(yīng)力集中的單向彎曲作用下發(fā)生疲勞斷裂。

圖4 斷裂閥桿整體形貌和宏觀斷口形貌

2.2 閥桿化學(xué)成分檢測(cè)

使用iSpark 8860型電火花直讀光譜儀對(duì)閥桿進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。查閱相關(guān)資料無閥桿材質(zhì)信息。查閱《JB/T 11019-2010超臨界及超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)用高中壓轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》，與12Cr10NiMoWVNbN材質(zhì)化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)比較，除了Cr、W元素含量稍低于標(biāo)準(zhǔn)以外，其他元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 閥桿化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(wt%)

2.3 閥桿顯微分析

按圖4a示意圖在閥桿左側(cè)斷口附近截取橫、縱截面進(jìn)行金相組織觀察。如圖5所示，閥桿橫截面邊緣和中心位置的金相組織均為回火馬氏體組織。如圖6所示，閥桿縱截面邊緣、中心位置、螺牙頂部和螺牙根部的金相組織同樣為回火馬氏體組織。

圖5 閥桿橫截面金相組織

圖6 閥桿縱截面金相組織

2.4 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)閥桿取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。參照《JB/T 11019-2010 超臨界及超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)用高中壓轉(zhuǎn)子鍛件 技術(shù)條件》中12Cr10NiMoWVNbN牌號(hào)力學(xué)性能指標(biāo)，閥桿力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 閥桿力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.5 斷口掃描電鏡分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)圖4b斷口進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。斷口起裂位置有磨損痕跡，裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯疲勞貝紋線和解理平臺(tái)，還觀察到微小二次裂紋，撕裂區(qū)觀察到細(xì)小的韌窩。

圖7 斷口表面微觀形貌

3 斷裂原因分析

從理化分析結(jié)果來看，閥桿金相組織為正常的回火馬氏體，未見明顯異常，閥桿的力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，閥桿整體性能較好。從斷口宏觀形貌來看，整個(gè)斷面并非水平垂直于閥桿，而是從上往下的斜面，說明閥桿在運(yùn)行過程中受到了彎曲應(yīng)力。

閥桿正常參與調(diào)節(jié)時(shí)，受到的開關(guān)力應(yīng)該是垂直上下方向的，斜向的應(yīng)力存在說明閥桿的安裝可能出現(xiàn)了偏斜，經(jīng)核對(duì)高調(diào)門安裝圖紙發(fā)現(xiàn)，圖8所示的安裝工藝6位置，對(duì)于閥桿與活塞桿連接兩個(gè)法蘭間的開口，張口偏差大小有嚴(yán)格要求：要求整圈開口尺寸相等，公差要求在±0.10 mm以內(nèi)。但閥桿斷裂后對(duì)該處開口進(jìn)行了測(cè)量，張口有明顯超標(biāo)。張口超標(biāo)會(huì)造成閥桿與活塞桿不同軸、偏心，偏折的起始點(diǎn)受到的應(yīng)力最大，而由于法蘭張口超標(biāo)造成的閥桿偏斜起始點(diǎn)正處于閥桿螺紋底部，所以張口安裝超標(biāo)是此次閥桿斷裂的主要影響因素之一。

圖8 高調(diào)門閥桿連接法蘭安裝工藝要求

由于某機(jī)組三閥順序閥運(yùn)行工況時(shí)，1號(hào)高調(diào)為第三個(gè)開啟的調(diào)節(jié)閥門，是參與開關(guān)調(diào)節(jié)最為頻繁的高調(diào)閥，其受到了交變啟閉、交變應(yīng)力最為嚴(yán)重。

在以上偏心和交變應(yīng)力雙重影響下，由于疲勞效應(yīng)，閥桿在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋，長時(shí)間反復(fù)作用后，裂紋緩慢向前擴(kuò)展，擴(kuò)展至一半位置時(shí)因強(qiáng)度不足加速了裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

閥桿斷裂可以定為是“在低名義應(yīng)力下存在中等應(yīng)力集中的單向彎曲作用下發(fā)生疲勞斷裂”。閥桿斷裂的原因是法蘭張口超標(biāo)造成閥桿偏斜，使閥桿螺紋根部產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，再加上閥桿自身的疲勞作用，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展而斷裂。

4 防范措施

舉一反三對(duì)該機(jī)組和相同結(jié)構(gòu)汽門的相鄰機(jī)組的其余7只高調(diào)門閥桿與活塞桿連接法蘭的張口差進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于張口超標(biāo)的已調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

修訂高調(diào)門檢修文件包，增加對(duì)高調(diào)門閥桿與活塞桿連接法蘭的張口差測(cè)量的技術(shù)記錄卡和質(zhì)量驗(yàn)收點(diǎn)，保證張口差控制在公差要求以內(nèi)。

新的閥桿到廠后和使用前必須進(jìn)行整體無損金相檢驗(yàn)、材質(zhì)光譜檢測(cè)、合格證書檢查驗(yàn)收，保證閥桿原始質(zhì)量符合要求。