某熱電廠壓力閥門斷裂失效分析

鄭文祥

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院, 安徽 合肥 230011)

0 引言

壓力閥門在壓力管道系統(tǒng)中一般起到控制壓力管道開(kāi)閉、壓力調(diào)節(jié)等作用，對(duì)管道的正常運(yùn)行具有重要影響。此外，電站用壓力閥門是一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的部件，在組合、安裝的過(guò)程中容易出現(xiàn)泄露、失效等問(wèn)題[1]。

某熱電廠1號(hào)汽機(jī)排汽至中壓供熱蒸汽母管，蒸汽壓力一次閥門在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生斷裂失效。該閥門尺寸為DN10 mm，材質(zhì)為304SS，對(duì)應(yīng)NB/T 47010-2017[2]中的07Cr19Ni10，為18Cr- 8Ni型奧氏體耐熱鋼，具有持久強(qiáng)度高、抗蒸汽氧化及高溫?zé)煔飧g性能優(yōu)異的特點(diǎn)，冷變形能力、焊接性能良好[3]。根據(jù)相關(guān)資料，與閥門連接的排汽管內(nèi)介質(zhì)最高溫度370 ℃，最高壓力2.6 MPa。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖1為來(lái)樣閥門的宏觀形貌，由圖1(a)可知，閥門在螺紋連接件螺紋末端發(fā)生斷裂。圖1(b)顯示斷口平整，無(wú)明顯塑性變形，宏觀上屬于脆性斷裂[4,5]。圖1(b)中白色圓環(huán)狀區(qū)域內(nèi)(圖中箭頭1)可見(jiàn)明顯磨損痕跡，當(dāng)閥門處于工作狀態(tài)時(shí)，圖中螺母狀連接件(白色虛線所在平面)向下旋緊與圖1(a)中的方形閥門主體相互接觸。受緊固力矩作用，斷裂位置存在較大的應(yīng)力[6]。

(a)宏觀圖片 (b)斷口形貌圖1 閥門宏觀形貌

1.2 成分分析

采用XL2980型便攜式X射線熒光光譜儀對(duì)來(lái)樣閥門的主要合金元素含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示來(lái)樣閥門的主要合金元素含量符合NB/T 47010-2017中07Cr19Ni10不銹鋼的要求。

表1 來(lái)樣閥門光譜分析結(jié)果 單位：wt%

1.3 顯微組織分析

從斷口附近切取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后，采用氯化鐵鹽酸溶液腐蝕，在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察金相試樣的組織形態(tài),圖2為來(lái)樣閥門斷口附近的金相組織照片。

(a)斷口及斷口附近組織12.5× (b)A位置組織200×

(c)B位置組織200× (d)C位置組織200×

(e)遠(yuǎn)離斷口處組織500×

圖2(a)可見(jiàn)斷口處裂紋向外與變截面相連，向內(nèi)與螺紋根部相連，寬約3 mm，斷口較為平整。圖2(b)～(d)為斷口近外表面組織，可見(jiàn)斷口附近組織中奧氏體晶界較寬，晶界處存在顆粒狀析出相呈半連續(xù)狀分布，裂紋沿晶界擴(kuò)展。圖2(c)顯示裂紋擴(kuò)展區(qū)部分位置存在二次裂紋，二次裂紋呈沿晶擴(kuò)展傾向，與主裂紋呈約45°方向由外壁向內(nèi)壁方向擴(kuò)展。圖2(e)顯示遠(yuǎn)離斷口處的組織中奧氏體晶界寬化，晶界處存在顆粒狀析出相呈半連續(xù)狀分布。閥門斷口附近和心部組織中均存在呈帶狀分布的軋制條帶。

1.4 硬度分析

利用臺(tái)式布氏硬度計(jì)，施加187.5 kgf載荷，15 s保載時(shí)間，對(duì)備品閥門和斷裂閥門進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)，見(jiàn)表2所示，結(jié)果表明斷裂閥門和備品閥門硬度均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。

表2 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

1.5 掃描電鏡及能譜分析

利用蔡司Sigma300熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂位置進(jìn)行顯微組織觀察和斷口分析。

圖3為斷口附近掃描電鏡形貌，由圖3(a)可見(jiàn)斷口外表面附近奧氏體晶界明顯寬化，圖3(b)顯示晶界位置分布有顆粒狀析出相。對(duì)圖3(b)中的A(晶界)、B(基體)、C(晶界)位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表3。能譜測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)奧氏體晶界位置存在以鉻(Cr)為主要合金元素的碳化物。

(a)斷口外表面附近顯微組織300× (b)斷口靠近外表面附近高倍形貌3000×圖3 斷口附近金相掃描圖片

表3 能譜測(cè)試結(jié)果 單位：wt%

圖4為來(lái)樣閥門的斷面掃描照片，由圖4(a)、(b)可見(jiàn)主斷口整體呈現(xiàn)出冰糖狀形貌，符合沿晶斷裂斷口特征[7]，其中圖4(b)顯示閥門斷口外表面附近存在大量沿晶界分布的二次裂紋，晶界結(jié)合強(qiáng)度較差。

(a)斷面形貌38× (b)外表面附近形貌300×圖4 斷口形貌圖片

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

失效壓力閥門的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求；金相圖片可見(jiàn)閥門組織中存在軋制條帶，主裂紋沿晶擴(kuò)展，附近奧氏體晶界明顯寬化，部分碳化物呈半連續(xù)或連續(xù)狀分布在奧氏體晶界上；斷口分析顯示閥門呈脆性沿晶開(kāi)裂，說(shuō)明閥門的韌性較差。

奧氏體不銹鋼成型后需要進(jìn)行固溶處理，將材料加熱到1 100 ℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳(C)固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)(此時(shí)組織中的碳處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)再與Cr形成高鉻碳化物)，起到強(qiáng)化固溶體，并提高韌性和抗蝕性能、消除應(yīng)力的作用。根據(jù)NB/T 47010-2017及相關(guān)文獻(xiàn)[8]，07Cr19Ni10鍛后需進(jìn)行固溶處理，且固溶處理完成后其組織應(yīng)為等軸晶，不得出現(xiàn)帶狀組織。本次檢驗(yàn)的閥門中出現(xiàn)了大量沿晶界分布的高鉻碳化物，Cr與C的結(jié)合并析出降低了基體中的溶解量，固溶強(qiáng)化效果減弱；同時(shí)高鉻碳化物在奧氏體晶界位置的析出導(dǎo)致基體連續(xù)性變差，造成基體的韌性降低。根據(jù)來(lái)樣閥門斷口特征，結(jié)合金相及掃描電鏡分析，判斷來(lái)樣閥門材料未進(jìn)行固溶熱處理或者固溶熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致了材料性能不能滿足使用要求。

來(lái)樣閥門裂紋產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部位，其有效結(jié)合厚度僅有3 mm，并且外表面為變截面，同時(shí)斷裂位置受緊固力矩作用，應(yīng)力集中明顯。根據(jù)二次裂紋的走向和斷口附近組織可以判斷裂紋起源于連接位置的外表面，由于材料力學(xué)性能較差，裂紋產(chǎn)生后快速沿晶擴(kuò)展，最終貫穿內(nèi)外壁發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論與建議

(1) 來(lái)樣閥門由于未進(jìn)行固溶處理或者固溶處理不當(dāng)，導(dǎo)致金相組織中存在軋制條帶，硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 閥門安裝過(guò)程中受緊固力矩作用，結(jié)構(gòu)中的變截面位置存在應(yīng)力集中。此外，閥門服役過(guò)程中高溫蒸汽的壓力變化使得應(yīng)力集中部位承受了額外的附加應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋在變截面位置產(chǎn)生，而后快速沿晶擴(kuò)展，造成閥門斷裂失效。

(3) 建議加強(qiáng)入場(chǎng)材料的驗(yàn)收管理，根據(jù)NB/T 47010-2017選取合適的非破壞性驗(yàn)收方法，保證閥門所用材料符合要求。

(4) 建議規(guī)范閥門的緊固工藝，嚴(yán)格按照規(guī)定的力矩緊固。