發電機密封油系統安全閥斷裂失效分析

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(蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004)

發電機密封油系統安全閥斷裂失效分析

左敦桂,賴云亭,張忠偉,張路,張國棟

(蘇州熱工研究院有限公司， 蘇州 215004)

針對電力行業中某發電機密封油系統灰鑄鐵安全閥在安裝過程中斷裂失效問題，對其進行了宏觀分析、拉伸試驗、金相檢驗、斷口微觀分析等檢驗，分析了其斷裂原因。結果表明：該安全閥斷裂模式為典型的灰鑄鐵脆性斷裂；安全閥強度偏低和安裝工藝不當，是導致其發生脆性斷裂的主要原因。最后提出了預防措施。

密封油系統； 安全閥； 灰鑄鐵； 脆性斷裂； 強度； 安裝

電力行業中發電機密封油系統的主要功能是給發電機密封瓦供應潤滑油，防止發電機內部的氫氣從轉子與發電機殼體間的縫隙泄漏出來，同時避免空氣侵入，保證發電機氫氣冷卻劑的純度，滿足密封所需要的潤滑油的溫度、壓力、流量，使發電機在各種工況下運行時氫氣壓力能維持在正常值[1-2]。密封油系統中的安全閥直接與泵體相連，上部法蘭與管道部件連接，系統運行過程中安全閥主要通過對出口油壓進行監控，防止油壓出現超標，保證整個密封油系統的穩定運行，如果安全閥發生失效將直接導致密封油系統失去油壓保護，從而觸發跳機，嚴重影響發電機組的正常運行。某發電機密封油系統中的安全閥在安裝過程中緊固完螺栓后發現斷裂，安全閥材料為HT200灰鑄鐵。筆者對該安全閥進行了檢驗和分析，查明了其斷裂失效原因，并提出相應的解決失效的對策。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

安全閥斷裂位置及斷口形貌如圖1所示，可見斷口表面粗糙，整體呈灰黑色，斷口表面無明顯腐蝕特征，斷口附近未見明顯的塑性變形，為典型的灰鑄鐵脆性斷裂斷口。將兩個斷口拼在一起，通過觀察斷口的吻合程度可以看出，裂紋啟裂于法蘭根部倒角處，該處為應力集中區域。部分法蘭安裝孔內壁存在螺紋型壓痕，且螺紋型壓痕處光亮無腐蝕特征。法蘭安裝孔內螺紋型壓痕情況及位置如表1和圖2所示。

1.2 拉伸試驗

對安全閥閥體取樣進行室溫拉伸試驗。受安全閥尺寸限制，拉伸試樣采用直徑為6 mm的圓棒狀試棒，試驗設備為日本島津AG-IC 100 kN精密電子萬能材料試驗機，試驗依據標準為GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》。室溫拉伸試驗結果如表2所示，可見閥體材料的室溫抗拉強度在60～63 MPa，明顯低于GB/T 9439-2010《灰鑄鐵件》對HT200材料抗拉強度的技術要求。

圖1 安全閥斷裂位置及斷口宏觀形貌Fig.1 The macro morphology of a) fracture position and b) fracture surface of the safety valve

編號螺紋型壓痕情況螺紋型壓痕位置1螺紋型壓痕較深，上深下淺2螺紋型壓痕較深，上深下淺3螺紋型壓痕較淺4無螺紋型壓痕5基本無螺紋型壓痕6螺紋型壓痕較深，上深下淺7螺紋型壓痕上深下淺8螺紋型壓痕較深，位于孔上、中部 注：右圖中實線箭頭為螺紋位置，虛線為裂紋位置

圖2 法蘭安裝孔內螺紋型壓痕形貌Fig.2 Morphology of screw imprints in the flange holes

1.3 金相檢驗

在安全閥閥體上截取金相試樣，采用ZEISSAXIOVERT 200 MAT研究級倒置萬能金相顯微鏡對金相試樣進行觀察，包括拋光態下的石墨分布形態，以及經4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕后的顯微組織形貌。檢驗依據標準為GB/T 7216-2009《灰鑄鐵金相檢驗》。閥體材料的金相檢驗結果見圖3和圖4：石墨分布為A型，石墨長度為3級；珠光體數量為8級；顯微組織中未見晶界網狀析出、氣孔、疏松等異常鑄造組織和顯微缺陷。

表2 安全閥室溫拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results of the safety valve at room temperature

圖3 拋光態石墨形貌Fig.3 Graphite morphology under polishing state

圖4 侵蝕后顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology after erosion

1.4 斷口微觀分析

采用TESCAN VEGA TS5136XM掃描電鏡(SEM)對安全閥啟裂斷口邊部和中心位置進行觀察分析。分析依據標準為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。斷口微觀分析結果見圖5，可以看出斷口各區域微觀特征相似，均呈沿石墨片界面開裂的脆性斷裂特征，為灰鑄鐵典型的脆性斷裂斷口。斷面未發現氣孔、縮松等鑄造缺陷。

2 分析與討論

失效安全閥斷口及母材顯微組織中均未見氣孔、縮松等鑄造缺陷，可排除因鑄造缺陷引起開裂的可能。在灰鑄鐵材料中，珠光體數量越多，材料強度越高；A型石墨長度級別越高，材料強度越高[3-5]。由金相檢驗結果可知，失效安全閥材料中的石墨長度已經達到3級，珠光體數量達到最低的8級，這將顯著降低灰鑄鐵材料的強度。室溫拉伸試驗結果表明，安全閥材料的實際抗拉強度只有60 MPa左右，當其承受一個不大的外載荷時，很容易在應力集中處發生開裂。

圖5 安全閥斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of the safety valve：a) SEM observation positions; b) SEM morphology of position 1; (c) SEM morphology of position 2

通過對法蘭安裝孔剖析發現，4號和5號安裝孔內無螺紋型壓痕，6～8號安裝孔內螺紋壓痕較深，且均表現為上深下淺，為法蘭與上部管道安裝未對中導致螺栓和法蘭孔間存在相對傾斜安裝所致，安裝完畢后將導致法蘭右側和上部管道存在間隙，后續緊固右側1～3號螺栓時右側法蘭將承受來自管道上部的拉應力，導致法蘭根部位置應力集中程度加劇，促進該位置裂紋的萌生。

3 結論及建議

通過上述分析，失效安全閥材料抗拉強度明顯偏低，導致承受外載能力不足;而造成安全閥材料抗拉強度明顯偏低的原因是材料中石墨長度偏長，珠光體數量偏低。安全閥在安裝過程中沒有嚴格按照相關操作規程進行緊固，導致部分螺栓傾斜安裝，造成安全閥法蘭部分部位承受拉應力，促使法蘭根部應力集中處萌生裂紋，引起斷裂。

針對上述結論，建議對新換安全閥，在入廠和安裝前進行全面的材質檢驗，確保其各項性能指標均滿足GB/T 9439-2010技術要求。同時安全閥在與其他部件安裝時，應嚴格按照安裝工藝規程及GB/T 16823.2-1997 《螺紋緊固件緊固通則》要求進行對稱緊固，避免出現對中不良導致應力集中等情況。

[1] 莊國霖. 發電機密封油系統介紹及發電機進油分析[J]. 中國科技信息,2009(13):135-136.

[2] 賴劍嶺,許海倫. 國內百萬千瓦核電站氫冷發電機2種密封油系統的比較[J]. 發電設備,2009,23(2):140-143.

[3] 晉芳偉. 灰鑄鐵中石墨分布形態對性能的影響[J]. 云南農業大學學報,2000,15(2):139-141.

[4] 吳孝庭,麻先銀,楊明月. 灰鑄鐵中石墨的分類及檢驗[J]. 理化檢驗-物理分冊,2014,50(3):204-208,215.

[5] 孫禮. 鑄鐵活塞環的微觀缺陷及其分析(續)[J]. 理化檢驗-物理分冊,1999,45(10):466-468.

FractureFailureAnalysisonSafetyValveofaGeneratorSealingOilSystem

ZUODungui,LAIYunting,ZHANGZhongwei,ZHANGLu,ZHANGGuodong

(Suzhou Nuclear Power Institute Co., Ltd., Suzhou 215004, China)

The gray iron safety valve of a generator sealing oil system in electric power industry fractured during installation, and series of test such as macro analysis, tensile test, metallographic examination and fracture micro analysis were done to the failure safety valve to find out the fracture reasons. The results show that the fracture of the safety valve was typical brittle fracture of gray iron. The low strength of the safety valve and improper installation process were main reasons for the brittle fracture. Finally, preventive measures were put forward.

sealing oil system; safety valve; gray iron; brittle fracture; strength; installation

2016-12-20

左敦桂(1979-)，男，高級工程師，主要從事電站關鍵設備和金屬部件失效分析及壽命評估工作，robbiezuo@163.com

10.11973/lhjy-wl201712018

TG143.2

B

1001-4012(2017)12-0922-04