主給水電動(dòng)閘閥閥桿斷裂失效分析

楊鵬，吳章勤，孫成剛，王明智，李明東，楊力，杭天培，陳依龍

(1.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650217；2.云南滇東雨汪能源有限公司華能雨汪電廠，富源 655500；3.紅河州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測(cè)中心，蒙自 661100)

0 前言

火電廠鍋爐主給水電動(dòng)閘閥作為鍋爐給水主路與旁路切換的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在鍋爐啟動(dòng)及停爐時(shí)通過(guò)主給水電動(dòng)閘閥和主給水旁路調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的鍋爐主給水的切換，是鍋爐給水系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一[1,2]。某電廠2號(hào)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)因鍋爐主給水電動(dòng)閘閥閥桿斷裂無(wú)法開(kāi)啟以保持汽包正常水位，需要進(jìn)行停爐處理，導(dǎo)致機(jī)組解列。鍋爐為600MW亞臨界W火焰鍋爐，閥桿材料為S41000不銹鋼，為美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)馬氏體不銹鋼，閥桿直徑為95mm，腹板厚度為30mm，翼板厚度為31mm。鍋爐累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為27000多小時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中閘閥累計(jì)操作幾十次，閘閥工作溫度為286℃。對(duì)發(fā)生斷裂失效的閘閥閥桿進(jìn)行宏觀檢查及宏觀斷口分析、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)以及掃描電子顯微鏡分析，找出了引起閥桿斷裂失效的原因，并對(duì)以后電廠檢修及運(yùn)行提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查及斷口分析

對(duì)發(fā)生斷裂失效的主給水電動(dòng)閘閥閥桿進(jìn)行宏觀檢查，圖1為主給水閘閥結(jié)構(gòu)示意圖及閥桿端頭T型頭斷裂圖像，可見(jiàn)主給水閘閥閥桿端頭T型頭部位斷裂成為三個(gè)部分（T型頭翼板、T型頭、閥桿），腹板存在變形及輕微頸縮。從腹板斷口可以明顯看出斷口為塑性斷裂，應(yīng)為翼板斷裂后，T型頭未斷裂的翼板單邊受力，在拉力及受力不平衡產(chǎn)生的扭矩的作用下，腹板受力超過(guò)設(shè)計(jì)條件，從而導(dǎo)致腹板斷裂，因此對(duì)其不再進(jìn)行詳盡分析。

圖1 主給水閘閥結(jié)構(gòu)示意圖及閥桿端頭T型頭部位圖像

翼板斷裂位置圖像如圖1所示，可見(jiàn)裂紋起源于T型頭倒角處，裂紋平直，裂紋附近無(wú)明顯塑性變形痕跡。斷面平整、除距倒角2-3mm區(qū)域的斷口灰暗，無(wú)金屬光澤，其余區(qū)域呈金屬光澤，斷口處除斷面間相互摩擦產(chǎn)生的損傷外，斷口無(wú)明顯損傷，斷口附近無(wú)明顯塑性變形痕跡，斷裂屬于脆性斷裂。T型頭斷裂處倒角邊緣靠近腹板側(cè)存在眾多微小裂紋，裂紋平行于倒角軸線。由此可以推斷，裂紋起源于T型頭斷裂處倒角區(qū)域。

1.2 化學(xué)成分分析

使用SPECTRO MAXx-LMM16落地式直讀光譜分析儀對(duì)閥桿進(jìn)行材料成分分析，試驗(yàn)結(jié)果符合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A 479/A 479M-08[3]對(duì)S41000不銹鋼成分技術(shù)要求，閥桿的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在閥桿取樣進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)，試樣按GB/T 2975-1998《鋼產(chǎn)品力性試驗(yàn)取樣位置及試驗(yàn)制備》[4]制備，取縱向拉伸樣品，在CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，取縱向沖擊樣品，在JBDW-500B全自動(dòng)低溫?cái)[錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。閥桿的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明所有試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率符合ASTM A 479/A 479M-08[3]對(duì)S41000 condition 2的要求，延伸率不符合ASTM A 479/A 479M-08[3]對(duì)S41000（condition 2）的要求。

使用930TM多功能硬度計(jì)對(duì)閥桿橫截面和表面進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試方法為HBW，測(cè)點(diǎn)1為中心位置，測(cè)點(diǎn)2距邊緣40mm，測(cè)點(diǎn)3距邊緣10mm。可見(jiàn)試樣硬度測(cè)試結(jié)果符合ASTM A 479/A 479M-08[3]對(duì) S41000（condition 2）的硬度值的要求。從橫截面硬度和閥桿表面硬度相差較小，可以得知閥桿表面未經(jīng)過(guò)表面處理。

1.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)閥桿橫截面及斷裂翼板橫截面進(jìn)行金相試驗(yàn)，試樣經(jīng)磨制、拋光后，采用苦味酸鹽酸酒精溶液化學(xué)侵蝕，在Zeiss Axio Observer臥式金相顯微鏡上觀察金相試驗(yàn)的組織形態(tài)，兩個(gè)試樣金相組織相同，均為板條馬氏體，多數(shù)位置可見(jiàn)奧氏體原晶粒。斷裂閥桿金相組織正常。

2 斷口掃描電鏡分析

利用Zeiss EVO 60掃描電子顯微鏡對(duì)T型頭倒角處腹板側(cè)斷口進(jìn)行掃描電鏡及電子能譜分析，可以觀察到裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋[5]，及瞬斷區(qū)的解理斷裂形貌[5]。對(duì)疲勞輝紋及瞬斷區(qū)進(jìn)行電子能譜分析，未發(fā)現(xiàn)夾雜等異常情況，能譜測(cè)試分析結(jié)果正常。

由宏觀檢驗(yàn)及斷口分析表明，斷裂屬于脆性斷裂，裂紋起源于T型頭斷裂處倒角區(qū)域。而T型頭倒角部位結(jié)構(gòu)突變?cè)斐蓱?yīng)力集中，倒角較小增加了應(yīng)力集中程度。由上述的理化檢驗(yàn)的結(jié)果可見(jiàn)，除延伸率略低于標(biāo)準(zhǔn)要求外，斷裂閥桿的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足相關(guān)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，閥桿顯微組織正常，說(shuō)明閥桿斷裂與材質(zhì)無(wú)關(guān)。由掃描電鏡分析及電子能譜結(jié)果可見(jiàn)，可觀察裂紋擴(kuò)展的疲勞輝紋及瞬斷區(qū)的解理形貌，其進(jìn)行電子能譜分析未發(fā)現(xiàn)夾雜等異常情況，能譜測(cè)試分析結(jié)果正常，說(shuō)明斷裂為疲勞斷裂。鍋爐主給水電動(dòng)閘閥主要作用是鍋爐啟停時(shí)動(dòng)作來(lái)完成給水主路與旁路的切換，根據(jù)鍋爐的運(yùn)行時(shí)間，其運(yùn)行時(shí)動(dòng)作次數(shù)約幾十次。

綜上所述，主給水電動(dòng)閘閥閥桿斷裂的主要原因是T型頭倒角部位結(jié)構(gòu)突變?cè)斐蓱?yīng)力集中，倒角較小增加了應(yīng)力集中程度，加上閘閥運(yùn)行過(guò)程中一些因素的影響使得該T型頭倒角處處于應(yīng)力值較高狀態(tài)，在閘閥開(kāi)啟過(guò)程中產(chǎn)生裂紋源，在閘閥動(dòng)作時(shí)的交變應(yīng)力的作用下，由于裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致T型頭單側(cè)斷裂。

3 結(jié)束語(yǔ)

主給水電動(dòng)閘閥斷裂為低周疲勞斷裂，T型頭倒角部位結(jié)構(gòu)突變?cè)斐蓱?yīng)力集中，倒角較小增加了應(yīng)力集中程度，加上閘閥運(yùn)行過(guò)程中一些因素的影響使得該T型頭倒角處處于應(yīng)力值較高狀態(tài)，在閘閥開(kāi)啟過(guò)程中產(chǎn)生裂紋源，在閘閥動(dòng)作時(shí)的交變應(yīng)力的作用下，由于裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致T型頭單側(cè)斷裂。在閘閥運(yùn)行過(guò)程中下列因素將增大T型頭倒角處應(yīng)力值：T型頭受力不平衡，單邊受力；在運(yùn)行過(guò)程中，在開(kāi)啟沖擊力及在開(kāi)啟過(guò)程中存在閘板卡澀等；閘閥行程保護(hù)位置點(diǎn)設(shè)置過(guò)高或失效，未起到保護(hù)作用，建議如下：

按規(guī)定[6-8]規(guī)定了閥門解體檢修的項(xiàng)目及質(zhì)量要求，因此電廠應(yīng)按照其要求結(jié)合電廠實(shí)際情況，編寫閥門的檢修規(guī)程及檢修工藝卡定期對(duì)閥門進(jìn)行解體檢修，以提高設(shè)備運(yùn)行可靠性及延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。機(jī)組長(zhǎng)期停（備）用已成為常態(tài)[9]。長(zhǎng)期停爐可能導(dǎo)致閥門銹蝕而在動(dòng)作過(guò)程中產(chǎn)生卡澀，因此有必要針對(duì)此問(wèn)題編寫運(yùn)行規(guī)程，對(duì)于長(zhǎng)期停爐狀態(tài)的鍋爐，對(duì)于重要閥門，應(yīng)定期進(jìn)行動(dòng)作，防止卡澀。