300 MW機組高壓主汽門閥桿失效分析

摘要：高壓主汽門是電站機組的關鍵部件之一，對機組安全啟停和運行起著重要作用，長期承受高溫高壓工況下的復雜載荷。主汽門閥桿斷裂是較為嚴重的一類故障，會造成巨大的經濟損失。某電廠高壓主汽門閥桿在機組運行過程中發(fā)生斷裂，采用宏觀檢查、化學成分分析、金相組織觀察、斷口分析和力學性能測試等方法，對斷裂原因進行了分析。結果顯示，閥桿長期服役后材質劣化明顯，力學性能嚴重下降，同時閥桿組織存在帶狀偏析，滲氮層和過渡層之間存在微裂紋。加工結構亦導致嚴重的應力集中，機組頻繁啟停導致閥桿疲勞損傷，這些因素共同導致閥桿斷裂失效。

關鍵詞：主汽門閥桿；失效分析；C422鋼

中圖分類號：TG 142.73文獻標志碼：A

Failure analysis of high-pressure main steam valve stem in a300 MW unit

LI Jiayao，LI Jun，DING Xianfei，JIANG Peng，DUAN Peng

（Shanghai Minghua Electric Power Science&Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China）

Abstract：The high-pressure main steam valve is one of the key components in the power plant unit，plays an important role in the start-stop and safe running of the unit，and is subjected to complex loads under high-temperature and high-pressure conditions for along time.The fracture of the main steam valve stem is aserious fault，which can cause significant economic losses.The high-pressure main steam valve stem of apower plant broke during the running process of the unit.The fracture reasons were analyzed by macroscopic examination，chemical composition analysis，metallographic observation，fracture analysis，mechanical property testing，and so on.The results show that after long-term service，the material degradation of the valve stem is significant，and the mechanical properties decrease severely.Meanwhile，band-shaped segregations appear in the valve stem structure，microcracks exist between the nitriding layer and transition layer，the processing structure also leads to severe stress concentration，and the frequent start-stop of the unit causes fatigue damage of the valve stem.These factors collectively lead to the valve stem fracture and failure.

Keywords：main steam valve stem;failure analysis;C422 steel

C422鋼屬于12%Cr（質量分數）馬氏體不銹耐熱鋼，國內牌號為22Cr12NiMoWV，其強度較高，綜合性能較好，具有良好的減震性和抗松弛性，廣泛應用于高溫緊固件和閥桿等部件[1-2]。某電廠300 MW機組C422鋼高壓主汽門閥桿在運行過程中發(fā)生斷裂，該閥桿經滲氮處理，工作溫度為541℃，機組累計運行約16.5萬h。高壓主汽門是主蒸汽進入汽輪機前的第一道閥門，是電站機組的關鍵部件之一，對機組安全啟停和運行起著重要作用，長期承受高溫高壓工況下的復雜載荷。主汽門閥桿斷裂是較為嚴重的一類故障，會造成巨大的經濟損失[3-6]。閥桿斷裂存在錯用材料、熱處理工藝不當、熱加工缺陷以及滲氮層脆性大等原因[7-10]。本文對斷裂的高壓主汽門閥桿進行一系列檢驗，分析其斷裂原因，以避免該類問題再次發(fā)生。

1實驗材料及方法

圖1為閥桿斷口位置及取樣示意圖。從圖1中可以看出，閥桿分為A桿和B桿。其中A桿外徑為37 mm，內徑為12 mm；B桿外徑為50 mm，內徑為34 mm；斷口位于A桿和B桿連接的變截面處。在斷口附近取4個環(huán)狀試樣，記為A-1、A-2、B-1、B-2，對試樣進行宏觀檢查、材質分析、金相分析、斷口分析及力學性能分析。

2實驗結果

2.1宏觀檢查

如圖1所示，閥桿斷面位于A桿和B桿相連的內外圓轉角區(qū)域，呈圓周分布。圖2為閥桿斷口宏觀形貌圖。如圖2所示，A桿橫向斷面較平坦，周向斷面上可見大量軸向分布的平行條紋。將環(huán)A-2沿軸向切開后，斷面轉角處可見裂紋；將環(huán)B-1沿軸向截開，斷面上可見撕裂狀開口裂紋，裂紋由內轉角向A桿擴展。

2.2材質分析

廠方提供主汽門閥桿用鋼牌號為C422，采用SPECT ROMAXx全定量金屬元素分析儀對閥桿進行化學成分分析，分析結果如表1所示。從表1中可見，閥桿試樣元素含量均符合GB/T 1221—2007《耐熱鋼棒》和DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》的要求，說明閥桿的化學成分與標準一致，未出現材料錯用現象。

2.3金相分析

閥桿金相環(huán)取樣位置如圖1所示，取4個金相環(huán)A-1、A-2、B-1、B-2，環(huán)A-2和環(huán)B-1沿軸向截開。金相試樣經打磨拋光后，使用FeCl2＋HCl溶液腐蝕，然后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。

閥桿芯部基體金相組織如圖3所示。從圖3中可以看出，閥桿基體組織為回火馬氏體，軸向截面基體組織為沿軸向分布的帶狀偏析，一般在軋制過程中產生，會形成材料性能的弱化帶[10]。

閥桿表面（環(huán)B-1內壁）顯微組織見圖4。滲氮后的閥桿表面組織有分層現象，由表面至內部依次為氧化層、滲氮層、過渡層和基體，在滲氮層和過渡層之間有眾多微裂紋，由滲氮層向過渡層擴展。

圖5為環(huán)A-2斷面的金相組織。從圖5中可以看出，在橫向斷面上可見白色氧化物，而軸向斷面上未見白色氧化物，軸向斷面位于閥桿過渡層。可見，閥桿橫向斷面先形成，軸向斷面后形成，且軸向斷面產生時間較短，未發(fā)生高溫氧化。

進一步觀察環(huán)A-2變截面處裂紋，如圖6所示。其中，1和2處可見由變截面內轉角處起源的軸向裂紋，裂紋處可見氧化物；3和4處可見撕開狀裂紋；5和6處可見滲氮層微裂紋。

圖7為環(huán)A-2外壁的金相組織，其中遠端外壁可見滲氮層，但近斷面處外壁無滲氮層。

圖8為閥桿環(huán)B-1斷面裂紋處金相組織，裂紋起源于閥桿加工的退刀槽處（內轉角），此處存在應力集中，容易萌生裂紋，裂紋內可見白色氧化物，可知裂紋存在時間較長。

2.4斷口分析

采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察清洗后的環(huán)A-2橫向斷面（初始斷面）。閥桿斷面低倍SEM圖如圖9（a）所示，上側為斷面，下側為A桿外壁邊緣，斷面較平整，呈云霧狀，隱約可見由外壁起始向內的擴展條紋。斷面起始區(qū)高倍SEM圖如圖9（b）所示，可見斷面表層覆蓋了氧化物。采用能譜儀（energy disperse spectroscopy，EDS）對該區(qū)域進行成分分析，分析結果如圖10所示。從圖10中可以看到，除基體主要元素峰線外，還有O、S等的峰線，這表明斷面受高溫后發(fā)生氧化。斷面擴展區(qū)高倍SEM圖如圖11所示，隱約可見平行分布的擴展條紋。

2.5力學性能分析

2.5.1硬度測試

利用布洛維硬度計和顯微硬度計對環(huán)A-1和環(huán)B-2的橫截面、環(huán)B-1的縱截面進行布氏硬度（參數：HBW2.5/62.5 kgf/10 s）和維氏硬度（參數：0.5 kgf）進行測試，結果如表2所示。DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》對C422鋼的布氏硬度要求規(guī)定為277～331，根據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算成維氏硬度為281～339。由表2可知，閥桿芯部基體布氏硬度低于標準要求的下限，約為40，說明經長期高溫環(huán)境運行后，閥桿力學性能已不能滿足標準的要求。

由表2中的維氏硬度結果可知，閥桿維氏硬度由滲氮層至基體逐步降低。從圖12～圖14中維氏硬度壓痕尺寸也可明顯看出，壓痕尺寸由滲氮層至基體逐步增大。滲氮層維氏硬度高達858；過渡層維氏硬度為300～600；基體維氏硬度低于300。由滲氮層到過渡層，局部位置維氏硬度梯度較大，這可能導致界面裂紋的產生。進一步分析可發(fā)現，閥桿斷口裂紋附近維氏硬度遠低于其他位置的，裂紋附近基體維氏硬度比芯部的低20～50，裂紋附近滲氮層和過渡層的維氏硬度也大幅低于其他位置同層的維氏硬度。

2.5.2拉伸試驗

A桿沿軸向取拉伸試樣，根據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》中A224方法進行室溫拉伸試驗，結果如表3所示。由表3可知，閥桿拉伸力學性能已嚴重不足，其屈服強度與抗拉強度均遠低于GB/T 1221—2007《耐熱鋼棒》和DL/T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》中對22Cr12NiMoWV材料的要求。

3分析與討論

經閥桿斷口宏觀形貌分析可初步推斷其斷裂主要由截面突變的應力集中引起，裂紋起始于截面突變的外臺階和內轉角處，外臺階裂紋先沿徑向擴展，后在剪應力作用下沿軸向擴展，同時內轉角裂紋也沿軸向擴展，最終導致斷裂。

結合金相組織與力學性能分析可知，閥桿經長期服役后，閥桿基體材質力學性能已嚴重下降，斷口裂紋附近材質劣化尤為明顯，閥桿組織存在帶狀偏析（圖3），無論是硬度（表2）還是強度（表3）都遠低于標準DL/T 439—2018對22Cr12NiMoWV材料要求的下限。

為了提高主汽閥閥桿表面的強度和耐磨性，閥桿除變徑處外經滲氮處理[11-12]，閥桿表面存在滲氮層，表面至內部依次為氧化層、滲氮層、過渡層和基體（圖4）。裂紋源為外臺階變截面處，截面突變處應力集中易萌生裂紋，而此處無滲氮層（圖6、圖7），無滲氮層保護進一步增加了裂紋產生和擴展的可能。閥桿加工的退刀槽處（內轉角）也存在應力集中，容易萌生裂紋（圖8）。閥桿滲氮層和過渡層之間存在由滲氮層向過渡層延伸的微裂紋（圖4、圖6），也是潛在的裂紋源。閥桿斷面是由外臺階裂紋（圖6）和變截面內轉角裂紋（圖8）擴展所致，斷裂處橫向斷面可見白色氧化物，而軸向斷面未見白色氧化物（圖5），說明閥桿橫向斷面先形成，軸向斷面后形成，裂紋產生后先橫向（徑向）緩慢擴展，后在剪應力作用下沿軸向快速擴展導致閥桿斷裂。

綜上所述，閥桿的斷裂失效是由加工結構引起的應力集中和材質老化引起的力學性能不足等因素共同導致的。閥桿截面突變且無圓滑過渡導致嚴重的應力集中，使得裂紋優(yōu)先在截面突變處萌生；閥桿基體力學性能的下降，導致其承載能力不足，促使裂紋的萌生并加快裂紋擴展。此外，機組的頻繁啟停容易導致疲勞損傷，在閥桿薄弱處（截面突變）產生疲勞擴展裂紋，由于斷面高溫氧化嚴重，SEM下未能發(fā)現明顯的疲勞裂紋。

4結論

（1）斷裂閥桿材料的化學成分與標稱材質一致，未出現材料錯用現象。

（2）閥桿長期服役后材質劣化明顯，力學性能嚴重下降，滲氮層和過渡層之間存在微裂紋，加工結構亦導致應力集中，機組頻繁啟停導致閥桿疲勞損傷，這些因素共同導致閥桿斷裂失效。

（3）建議加強對閥桿截面突變處的無損檢測和閥桿的硬度監(jiān)測，及時發(fā)現并修復裂紋，避免運行過程中的斷裂事故。

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（編輯：畢莉明）