鍋爐電動(dòng)氣動(dòng)泄放閥閥體螺柱斷裂原因探討

王宏偉

（山西京能呂臨發(fā)電有限公司，山西呂梁 033299）

0 引言

鍋爐動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泄放閥是一種全部由外部動(dòng)力源（電動(dòng)、氣動(dòng)或液動(dòng)）控制其開啟或關(guān)閉動(dòng)作的閥門，一般稱之為PCV（positive crankcase ventilation）閥。電動(dòng)氣動(dòng)泄放閥EPRV（electro pneumatic relief valve）是大型電站鍋爐動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泄放閥的一個(gè)類型，其作用為：在鍋爐系統(tǒng)開始超壓，達(dá)到動(dòng)力泄放閥設(shè)定開啟壓力時(shí)，動(dòng)力泄放閥打開，向外排放蒸汽降低系統(tǒng)壓力，為鍋爐提供超壓保護(hù)；動(dòng)力泄放閥打開后，避免在鍋爐超壓時(shí)，壓力繼續(xù)升高而導(dǎo)致安全閥起跳，延長(zhǎng)安全閥使用壽命。EPRV 閥是國(guó)內(nèi)已應(yīng)用的繼先導(dǎo)式、球閥式動(dòng)力泄放閥后的第三代鍋爐動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泄放閥，其主要由一個(gè)彈簧式安全閥、雙作用氣缸組成，控制系統(tǒng)由閥組、就地控制箱、壓力開關(guān)盒、遠(yuǎn)程控制面板等組成。EPRV 閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好，失電、失氣后仍可以全啟排放，保障系統(tǒng)對(duì)排放量的要求，維修簡(jiǎn)單、備件少，經(jīng)濟(jì)性、可靠性高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，目前在大型機(jī)組中的應(yīng)用比例逐漸提高，分析探討此次EPRV 閥門閥體螺柱斷裂的原因，對(duì)同類型機(jī)組閥門的安全運(yùn)行具有較明顯的參考價(jià)值。

1 事故情況介紹

某電廠1 號(hào)鍋爐EPRV 閥門是由東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司配供的，是德國(guó)Sempell公司生產(chǎn)的SEP 系列泄放閥。一般來說，SEP 系列泄放閥是一種配備了A160 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧加載型閥門。A160 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制泄放閥在某個(gè)特定的壓力下打開（即動(dòng)作壓力）。彈簧的設(shè)定點(diǎn)比動(dòng)作壓力高5%～10%，以保證在控制單元故障時(shí)泄放閥不會(huì)打開。泄放閥只能借助于A160 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能打開。A160 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由STE8 控制器控制。

1 號(hào)機(jī)組于2019 年7 月20 日點(diǎn)火開始整套啟動(dòng)，7 月27 日并網(wǎng)成功，進(jìn)行機(jī)組涉網(wǎng)試驗(yàn)。9 月20 日，1 號(hào)機(jī)組啟動(dòng)，06：27：00 進(jìn)行EPRV 閥開啟試驗(yàn)，參數(shù)為：高溫過熱器出口左側(cè)汽壓7.027 MPa，右側(cè)汽壓7.049 MPa。06：29：00 關(guān)閉EPRV 閥時(shí)的參數(shù)為：高溫過熱器出口左側(cè)汽壓6.38 MPa，右側(cè)汽壓6.401 MPa。但關(guān)閉時(shí)發(fā)現(xiàn)右側(cè)EPRV 閥不回座，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)EPRV 閥上閥體傾斜，閥體連接螺柱斷裂，造成EPRV 閥桿無法回座。截止到本次EPRV 閥連接螺柱斷裂發(fā)生，1 號(hào)鍋爐處于整套啟動(dòng)試運(yùn)行階段，已累計(jì)運(yùn)行約2 個(gè)月，期間兩側(cè)EPRV 閥曾因多種原因發(fā)生數(shù)次起跳。

經(jīng)廠家技術(shù)人員當(dāng)天現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐兩側(cè)EPRV 閥均有不同程度的損傷，左側(cè)閥體斷裂連接螺柱4 條，右側(cè)閥體斷裂連接螺柱9 條，密封面有磨損痕跡，閥座固定用內(nèi)六角螺釘缺失1 條。

2 試驗(yàn)情況與結(jié)果

2.1 送檢螺柱介紹

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)螺柱斷裂的情況后，對(duì)斷裂的EPRV閥閥體螺柱進(jìn)行取樣送檢，進(jìn)行送檢分析的EPRV閥螺柱共計(jì)4 條，其規(guī)格為M20×250 mm，材質(zhì)為SA193-B16。

2.2 宏觀形貌觀察與分析

對(duì)斷裂的1 號(hào)鍋爐EPRV 閥螺柱進(jìn)行宏觀形貌分析，檢查其是否存在原始缺陷、機(jī)械損傷、嚴(yán)重氧化、腐蝕等痕跡，螺柱有無明顯塑性變形等特征，并結(jié)合其他試驗(yàn)手段進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4 條EPRV 閥螺柱均斷裂于自鋼性桿向螺紋部位過渡的第1～2 扣螺紋的牙底部，斷口及其附近螺柱表面存在一定程度的銹蝕和高溫氧化情況，各螺柱斷裂部位均未見明顯塑性變形；各螺柱斷口宏觀形貌基本一致，斷口上可以觀察到較為清晰的“貝紋線”形貌，呈現(xiàn)較為典型的拉—壓型疲勞斷裂特征，斷口上起裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)等特征區(qū)域明顯。根據(jù)“貝紋線”擴(kuò)展形貌，基本可以推斷出各斷口的起裂源均位于邊緣的螺紋牙底部位，各螺柱起裂源區(qū)宏觀觀察未見明顯的異常特征。

2.3 斷口微區(qū)觀察與分析

利用掃描電子顯微鏡對(duì)EPRV 閥螺柱斷口進(jìn)行微觀形貌分析，斷口的裂源區(qū)較為平坦，未見沿晶斷裂、夾雜物及嚴(yán)重機(jī)械損傷等明顯異常；擴(kuò)展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞條帶；瞬斷區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征。

2.4 化學(xué)成分檢測(cè)與分析

按照《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法》GB/T 4336—2016要求，利用SPECTROMAXx 型臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)斷裂的EPRV 閥螺柱進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果（如表1 所示）顯示，EPRV 閥螺柱的各元素含量均符合ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SA193-B16 材料的技術(shù)要求。

表1 EPRV 閥螺柱SA193-B16 材料化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果單位：%

2.5 顯微組織檢測(cè)與分析

按照《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》DL/T 884—2019 要求，利用Axio Observer.Alm 型金相顯微鏡對(duì)斷裂的EPRV 閥螺柱進(jìn)行顯微組織檢測(cè)。結(jié)果顯示，螺柱斷口起裂于螺紋牙底部，起裂區(qū)未見淬火裂紋、鍛造缺陷、沿晶斷裂及夾雜物等異常組織或缺陷；螺柱的表層螺紋處的組織及中間部位的組織均為回火索氏體+少量鐵素體，整體淬透性較差。此外，螺柱組織整體沿軸向的帶狀偏析嚴(yán)重，螺紋部位未見明顯的脫碳層缺陷。

2.6 力學(xué)性能檢測(cè)與分析

按照《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》GB/T 231.1—2009 的標(biāo)準(zhǔn)要求，利用THBC-3000DA 型圖像處理式布氏硬度計(jì)對(duì)EPRV 閥螺柱進(jìn)行硬度測(cè)試，以確定螺柱的硬度是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》GB/T 228.1—2010 的標(biāo)準(zhǔn)要求，利用CMT5305型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)斷裂的EPRV 閥螺柱進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以確定其各項(xiàng)常溫拉伸性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；按照《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》GB/T 229—2007 的標(biāo)準(zhǔn)要求，利用ZBC-300B 型數(shù)字沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)EPRV 閥螺柱取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，確定其韌性是否良好。力學(xué)性能的各項(xiàng)內(nèi)容檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 EPRV 閥螺柱的常溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果（20 ℃）

由表2 可以看出，EPRV 閥螺柱的屈服強(qiáng)度、抗力強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及硬度均符合ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)的要求；韌性標(biāo)準(zhǔn)中未做要求，但其實(shí)測(cè)沖擊吸收功為132 J，說明螺柱材料的韌性是優(yōu)良的。

3 結(jié)果與分析

從斷口形貌分析，EPRV 閥螺柱均斷裂于自鋼性桿向螺紋部位過渡的第1～2 扣螺紋的牙底部，斷口呈現(xiàn)較為典型的拉—壓型疲勞斷裂特征，起裂源位于邊緣的螺紋牙底部位，各螺柱起裂源區(qū)宏觀觀察未見明顯的異常特征[1]。

從化學(xué)成分分析，EPRV 閥螺柱的化學(xué)成分均符合ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)的要求，排除錯(cuò)用材質(zhì)的情況。

從金相組織分析，EPRV 閥螺柱組織均為回火索氏體+少量鐵素體，整體淬透性較差，沿軸向的帶狀偏析嚴(yán)重，螺紋部位未見明顯的脫碳層缺陷。

從力學(xué)性能分析，EPRV 閥螺柱常溫的強(qiáng)度、塑性、硬度及韌性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且強(qiáng)韌性搭配良好。

從受力工況分析，EPRV 閥螺柱在運(yùn)行過程中隨著EPRV 閥的開閉動(dòng)作，主要承受靜態(tài)拉—壓載荷和動(dòng)態(tài)的瞬間沖擊載荷。

從材料選用角度分析，ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)中未給出SA193-B16 材料的推薦使用溫度。國(guó)內(nèi)的《火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)》中給出的與SA193-B16 材料成分相近的45Cr1MoV 鋼的推薦使用溫度為450 ℃以下，45Cr1MoV 鋼的C、Cr 和Mo 元素的含量均略高于SA193-B16 材料，說明SA193-B16 材料的熱強(qiáng)性略低于45Cr1MoV 鋼。因此，可以推斷SA193-B16 材料的使用溫度也不應(yīng)高于450 ℃，而實(shí)際鍋爐高溫過熱器出口蒸汽的溫度為571 ℃，遠(yuǎn)高于該材料的允許使用溫度[2]，在超過其允許使用溫度的環(huán)境下長(zhǎng)期使用必將造成螺柱的強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)的高溫強(qiáng)度要求，進(jìn)而會(huì)嚴(yán)重降低螺柱材料的疲勞極限，使螺柱的疲勞抗力嚴(yán)重不足。在EPRV 閥體頻繁開閉形成的交變沖擊載荷作用下，必然會(huì)在應(yīng)力集中的螺紋牙底形成的缺口效應(yīng)區(qū)產(chǎn)生疲勞開裂，進(jìn)而引發(fā)螺柱的斷裂失效。

綜合考慮1 號(hào)鍋爐自7 月20 日開始整套啟動(dòng)以來，調(diào)試期間EPRV 閥啟動(dòng)次數(shù)較多，至9 月20日為止，鍋爐左右兩側(cè)過熱蒸汽EPRV 閥各起跳49 次之多，起跳壓力從1～25 MPa 不等，由于EPRV閥門為截止閥，在起跳過程中閥體上部會(huì)受到過熱蒸汽的沖擊和壓力，這些壓力全部由閥體螺柱來承擔(dān)，造成螺柱頻繁受到交替軸向拉力；在過熱蒸汽溫度高達(dá)560 ℃的情況下，螺柱的使用工況十分惡劣，同時(shí)由于EPRV 閥排氣管道為水平排出，在排氣時(shí)閥體會(huì)受到蒸汽水平方向的反向作用力，螺柱受到徑向剪切力，在較多次的拉力和剪切力作用下，加快了螺柱的斷裂。

考慮到EPRV 閥為鍋爐動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泄放閥，在鍋爐系統(tǒng)超壓時(shí)才需要打開向外排放蒸汽，降低系統(tǒng)壓力，為鍋爐提供超壓保護(hù)，并不能作為鍋爐正常泄壓的途徑。所以，除異常及事故工況除外，正常參數(shù)調(diào)整中嚴(yán)禁使用EPRV 閥泄壓，像1 號(hào)機(jī)組EPRV 閥這樣在調(diào)試期間頻繁起跳，對(duì)閥體及相關(guān)部件的影響較大[3]。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

綜合以上分析，1 號(hào)鍋爐過熱器出口EPRV 閥螺柱斷裂的主要原因?yàn)椋篍PRV 閥閥體連接螺柱選材等級(jí)偏低，所用的SA193-B16 材質(zhì)螺柱不能滿足設(shè)計(jì)溫度下的強(qiáng)度極限及疲勞極限的要求，在鍋爐運(yùn)行過程中EPRV 閥開閉，在形成的交變拉—壓沖擊載荷作用下，在應(yīng)力集中的螺紋牙底部形成的疲勞開裂并擴(kuò)展導(dǎo)致螺柱斷裂失效。

4.2 相關(guān)建議

a）應(yīng)對(duì)EPRV 閥所使用螺柱的高溫強(qiáng)度進(jìn)行重新校核計(jì)算，將相同使用環(huán)境下的SA193-B16螺柱全部更換為更高等級(jí)的適用于設(shè)計(jì)溫度下高溫強(qiáng)度使用要求的螺柱。

b）應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行方式，減少螺柱使用中的不利因素，避免EPRV 閥的頻繁啟停，以免再次發(fā)生類似斷裂失效事故。

c）建議每次停機(jī)或者檢修時(shí)，盡量安排金屬專業(yè)人員對(duì)EPRV 閥螺柱進(jìn)行檢查或測(cè)試，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行無損探傷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺柱的隱形缺陷，避免隱患進(jìn)一步擴(kuò)大。

d）安全無小事，只有認(rèn)真對(duì)待每次停機(jī)后的檢修工作，才能保障閥體螺柱的正常壽命，使鍋爐始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)。