水電站閘門充水閥閥桿斷裂原因分析

廣波 吳興 朱生學

摘 ?要：本文采用化學成分分析和硬度測試等方法，分析了某水電站調壓室事故閘門充水閥閥桿斷裂原因。結果表明：閥桿熱處理回火不充分，使材料硬度偏高，分布不均，因此局部脆性破壞概率增加;，圓頭和直桿過渡區的應力集中位置導致存在加工分界線，因此使閥桿機加工存在隱患，致使在劇烈振動下容易發生開裂現象;此外，充水過程中，閥頭開度較小處于水流不穩定區，閥頭振動劇烈，導致應力集中的閥桿圓頭與直桿過渡處開裂擴展;基于以上問題，本文對此提出了改進措施并取得較好效果，為工程實踐提供了參考。

關鍵詞：大型水電站;充水閥;閥桿斷裂;化學成分分析;硬度測試

中圖分類號：TK730 ???文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0前言

在某水電站壓力鋼管充水平壓進行過程中，壓力鋼管充水突然中斷，通過壓力鋼管通氣孔灌水平壓后，將閘門提起檢查發現充水閥閥桿斷裂，閥頭掉落封堵充水管口。查找相關資料發現斷裂的充水閥拉桿材料為40Cr13調制處理，閥桿直徑48 mm。為查明是生產質量問題還是使用問題，作者通過宏觀檢查、斷口分析、金相檢驗、加工工藝等方法對閥桿斷裂原因進行分析。

1 原因分析

1.1 斷口宏觀形貌

斷口處于圓頭和直桿過渡位置，肉眼觀察斷口宏觀形貌不一致，一半較為平整，無撕拉、扭曲、剪切痕跡，可判斷此處為斷裂起始位置，如圖1。另一半撕拉痕跡明顯，且與正應力垂直，無扭曲，斷面收縮小，無金屬光澤，有明顯塑性變形，為缺陷擴展后受力所致，如圖2。

1.2 化學成分分析

對閥桿材料采用定量光譜方法進行成分分析，確定材料合金元素是否符合標準要求，檢測結果如下表1 所示，閥桿材料中各元素均控制在標準要求范圍內，符合GB /T1220-2007對40Cr13 的規定要求。

1.3硬度測試

為了解材料強度的均勻性指標，采用布氏硬度標準對閥桿橫截面按照斷裂處宏觀形貌（平整側）邊緣→芯部→邊緣（不平整側）進行硬度測定。從硬度數據表2來看，材料整體硬度偏高，超過GB/T1220-2007 標準中規定的40Cr13退火后的硬度上限指標235HBW。硬度越高，相應的強度越大、塑韌性差，發生脆性斷裂的可能性越大。從硬度測試數據中可以看出，斷口平整側平均硬度比不平整側平均硬度高，說明硬度分布不均勻，見表2。

1.4閥桿機加工

從斷口宏觀形貌可以看出，開裂起始位置裂口平整，無塑性變形和受力跡象，圓頭與直桿過渡加工時，設計圖紙圓頭與直桿過渡處有一條實線（如圖3），加工時先加工好圓頭和直桿，圓頭和直桿存在90°夾角，最后在球體上加工R5的倒角與直桿過渡，導致球體表面被破壞，理論上圖紙表示出直桿與球體之間并沒有實線。

該過渡段加工原因，導致圓頭和直桿存在實際區別線，該加工線處于應力集中位置，在高頻劇烈振動下容易發生開裂，并發展為受力最薄弱區，進而導致斷裂。

1.5 運行工況分析

根據設計要求，為了保持壓力鋼管充水速度在2m/min，充水閥開度局部開啟約100mm，經計算，當充水閥開度<125mm時水流不穩定，閥頭受下拉力較大，高頻振動劇烈，導致閥桿開裂缺陷擴展。

2 結論與改善

斷裂起源于拉桿圓頭與直桿過渡處，在斷裂源斷口表面從內到外表現為脆性斷裂和存在原始缺陷擴展特征。

斷裂拉桿整體硬度偏高，不符合標準要求，說明回火不夠充分，造成材料脆性增加。宏觀檢查發現斷口呈現兩種不同形態，一半無撕拉塑性變形，說明閥桿存在原始缺陷。閥桿機加工方式存在隱患，導致在應力集中處存在實際區別線，無平滑過渡，容易開裂。充水過程充水閥開度過小導致水流不穩定，閥頭高頻振動，導致圓頭與直桿過渡處開裂并擴展。

根據上述分析結果，對閥門拉桿的實際生產過程和充水閥開度進行了改進完善：

（1）對原材料進行超聲波探傷，篩查材料本體缺陷;（2）優化閥桿圓頭與直桿過渡段加工方式，按照“先加工出直桿、再加工出圓弧角、最后加工出球體”的步驟進行;（3）調整40Cr13 熱處理工藝，淬火后及時充分回火;（4）調整熱處理時間，確保閥桿熱處理后硬度在標準要求范圍內;（5）按照計算要求，充水時保證充水閥開度>125mm，避開水流不穩定區。

3總結

閥門拉桿斷裂主要是閥桿存在初始制造缺陷，在不穩定工況下導致缺陷擴展造成。其主要表現在以下方面：（1）材料調質回火處理不充分，硬度偏高;（2）閥桿機加工方式存在隱患，拉桿圓頭與直桿過渡處存在實際加工區別線，該加工線容易開裂;（3）運行中充水閥開度小，水流不穩定，閥頭振動劇烈，導致應力集中的圓頭與直桿過渡處開裂和擴展。結合檢修，對同批次閥桿全部進行更換，同時加強重要金屬備品備件的質量驗收，嚴格選材用材，確保設備安全運行，減少失效事故。對該水電站上游調壓室事故閘門充水閥閥桿斷裂的原因分析和改善處理過程為國內外同類型電站的同類型設備提供了一定參考。

參考文獻

[1]李駒，楊曙建，鮑逸鳴，等.水電廠閥桿斷裂原因分析[J].華東電力，2013（3）：89-90.

[2]王笑天.金屬材料學[M].北京：機械工業出版社，1987.

收稿日期：2019-05-21

作者簡介：廣波（1987—），男，四川大邑人，本科，工程師，研究方向：水電站機械設備檢修維護。

Cause Analysis of Fracture of Upstream Surge chamber Filling Valve stem of

Hydropower Station

GUANG ?Bo，WEI ?Xing， ZHU Shengxue

（Yalong River Basin Hydropower Development Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan ?610000）

Abstract：In this paper， chemical composition analysis and hardness test are used to analyze the fracture reason of the valve stem of the emergency gate in the surge chamber of a hydropower station. The results show that the heat treatment and tempering of the valve stem are not sufficient， the hardness of the material is high and the distribution is uneven， so the probability of local brittle failure increases; the stress concentration position of the transition zone between the round head and the straight rod results in the existence of machining boundary， so there is a hidden danger in the machining of the valve stem， In addition， in the process of water filling， the valve head opening is small in the flow instability area， and the valve head vibration is intense， which leads to the crack and expansion of the transition between the round head of the valve stem and the straight rod with stress concentration. Based on the above problems， this paper puts forward the improvement measures and achieves good results， which provides a reference for engineering practice.

Key words：Hydroelectric power plant; Emergency gate filling valve stem; stem fracture; chemical composition analysis; hardness test