給水泵汽輪機調節汽閥閥桿斷裂原因分析

于宏辰

(大唐東北電力試驗研究所有限公司，吉林 長春 130000)

發電機組運行過程中，轉子、葉輪、葉片等部件承受很大的離心力，且離心力隨著轉速的增加而增加.當轉速超過一定極限時調節汽閥的作用是按照控制單元的指令改變進入汽輪機的蒸汽流量，以使機組受控參數(功率或轉速、進汽壓力、背壓等)符合運行要求.因此，調節氣閥在很大程度上保證了汽輪發電機組的安全運行.然而，由于設備金屬部件受設計、制造、運行環境等因素影響，在使用過程中難免會出現材質的老化、變形、損傷、甚至斷裂破壞等問題[1-4].因此，本論文采用相關的技術手段對給水泵汽輪機調節汽閥閥桿進行失效分析，確定其斷裂原因，以避免和防止類似事故的再發生.

某電廠給水泵汽輪機調節汽閥閥桿發生斷裂，該機組為杭州汽輪機股份有限公司生產制造，產品代號T6948，產品型號NK63/71/0.設計材質為2Cr12MoV，且經滲氮工藝處理.實際工作溫度：380 ℃，工作壓力：1.0 MPa.機組累計小時約4萬小時，累計啟停次數56次.

1 結果與討論

1.1 宏觀檢查

檢查結果見圖1.

圖1 失效閥桿及其斷口的宏觀形貌.

對失效閥桿進行宏觀檢查，如圖1(a)所示.從圖中發現，斷裂閥桿根部存在長度約10 mm退刀槽，加工刀痕痕跡明顯(圖2(a)).圖1(b)為斷口宏觀形貌，從圖中可以看出斷口左側區域(A、B兩區)截面相對平滑，無明顯銹層，但并不光亮，約半圓為疲勞孤帶區，證明此處是先斷裂區，即疲勞裂紋源區(A)和裂紋擴展區(B).C區斷口粗糙，有金屬光亮，為瞬時靜斷區，通過斷口分析可以確定整體斷裂形式屬于應力疲勞脆性斷裂.從圖2(b)可以看出，閥桿根部倒角圓弧過小(小于5 mm)，為應力集中嚴重位置.

圖2 (a)失效閥桿加工刀痕及(b)根部圓角形貌

1.2 成分分析

對斷裂閥桿進行光譜成分分析，分析結果如表1所示.

表1 成分分析表

通過所測數據可知，閥桿材質主要合金元素含量與標準(GB/T 8732-2014)中的2Cr12MoV成分相符.

1.3 硬度檢查

對斷裂閥桿母材、滲氮層硬度進行檢查.其中，母材硬度為263 HB，符合GB/T 8732-2014標準的要求(241-285 HB)；滲氮層硬度為644 HB，符合滲氮工藝硬度要求[5].

1.4 金相檢查

對斷裂閥桿截面進行金相檢查，結果如圖3所示，從圖中可以看出閥桿金相組織為回火馬氏體，組織正常.

圖3 閥桿金相組織圖

1.5 微觀裂紋滲氮層厚度檢查

對閥桿根部截面邊緣進行微觀裂紋檢查,發現多處與受力方向垂直的裂紋，最長裂紋長度約為400 μm，如圖4(a)所示.作為比較，對閥桿遠離斷口處的邊緣位置進行金相組織檢驗，并未發現裂紋，具體如圖4(b)所示.結合1.1節的討論我們發現由于閥桿根部退刀槽位置存在明顯加工刀痕，并且根部倒角圓弧過小(小于5 mm)，使該部位存在較大應力集中(圖1(c)、(d))[5-10].

圖4 閥桿根部附近(a)和閥桿中部(b)的微觀裂紋檢查

在外加循環拉應力作用下，應力集中位置即加工刀痕和倒角位置會首先萌生疲勞裂紋，根部倒角位置由于應力集中現象最為明顯，裂紋擴展速度也最快，隨著閥桿反復升降及振動，倒角裂紋在外力的長期作用下最先開始向內部擴展，最終導致閥桿斷裂.

1.6 滲氮層厚度檢查

閥桿根部附近和閥桿中部的滲碳層厚度的檢查結果如圖5(a)、(b)所示.從圖中可以看出，閥桿根部附近的滲碳層厚度為281.14 μm，明顯高于閥桿中部位置(120～221.55 μm).這是由于摩擦工況，閥桿中部磨損要比根部嚴重造成.

圖5 閥桿根部附近(a)和閥桿中部(b)的滲氮層厚度檢查

1.7 斷口分析

圖6為閥桿斷裂部位斷口微觀形貌圖.

圖6 裂紋源區(a)、裂紋擴展區(b)、最終斷裂區(c)斷口形貌

圖(a)中樣品斷口邊緣處存在較多未擴展的微觀缺陷(白色箭頭所示)，故此處為裂紋源區.在擴展區和最終斷裂區的斷口形貌為舌狀斷口形貌，屬于解理斷裂，如圖(b、(c)所示.

2 結 論

綜上所述，斷裂失效原因是由于調節汽閥閥桿退刀槽位置存在加工刀痕，表面粗糙度大，且根部過渡圓弧過小(小于5 mm)，造成應力集中.在機組運行過程中，閥桿在長期循環拉應力作用下，在應力集中最大的根部倒角位置產生疲勞裂紋，裂紋不斷擴展，最終發生斷裂.建議在機組停運或檢修期間應加強對小機排汽蝶閥密封面進行檢查.建議對小機調節閥閥桿退刀槽遺留刀痕進行打磨處理，增加表明光潔度，同時適當增加閥桿根部過渡圓弧半徑.

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