某汽輪機蒸汽調節閥桿斷裂的原因

朱 蕾

(中國船舶重工集團公司第704研究所, 上海 200031)

失效件為某機組汽輪機蒸汽調節閥桿，機組在高負載工況下運行后，拆機檢測時發現閥桿已斷裂，其材料為25Cr2Mo1VA-5+6鋼。閥桿端頭在裝置聯動作用下沿軸向反復運動，服役環境為300 ℃/3.7 MPa高溫高壓蒸汽，最高溫度壓力為415 ℃/5.6 MPa。斷裂閥桿所在機組由于并聯的機組逆功率運行，功率從590 kW升高至2 000 kW，汽輪機轉速在3 s內由9 975 r/min升高至10 366 r/min，該機組在2 000 kW功率條件下運行約40 s后，恢復至1 500 kW以下，又在600 kW功率條件下運行20 min后，解列至空載運行狀態，在工作1.5 d后的停機期間，機組并網一次，時間為20～30 min，機組轉速正常，最后在拆機檢修時閥桿發生斷裂。筆者通過一系列的理化檢驗，分析了閥桿斷裂的主要原因，以避免同類事故的再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂閥桿以及同批次使用的未斷裂閥桿的宏觀形貌見圖1。閥桿斷口的宏觀形貌見圖2a)。由圖2a)可見，斷口整體較為平整、潔凈，呈亮金屬色，未見異物覆蓋，斷面與軸向垂直，整體未見明顯塑性變形，斷面較為粗糙，呈外力作用下一次性脆性斷裂的宏觀形貌特征。閥桿表面的宏觀形貌見圖2b)。由圖2b)可見，閥桿表面存在磨損痕跡，磨損痕跡邊緣存在明顯輪廓，該位置恰好為橫向蒸汽輸入口。

1.2 化學成分分析

在斷裂閥桿上取樣，對其進行化學成分分析，其化學成分實測值與GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中對25Cr2Mo1V鋼的化學成分的技術要求見表1，可知該斷裂閥桿的化學成分滿足技術要求。

表1 斷裂閥桿的化學成分Tab.1 Chemical compositions of fractured valve stem

1.3 力學性能試驗

從未斷裂閥桿上截取試樣進行拉伸試驗，在斷裂閥桿上取樣進行沖擊試驗，力學性能實測值與GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中對25Cr2Mo1V鋼的力學性能技術要求見表2,可知其力學性能滿足要求。

表2 閥桿的力學性能Tab.2 Mechanical properties of valve stem

1.4 斷口分析

將閥桿斷口和閥桿表面置于掃描電鏡(SEM)下進行觀察。由圖3可見：斷口主要呈準解理+韌窩的形貌特征，進一步放大觀察發現，斷口呈外力作用下發生一次性斷裂的微觀形貌特征；閥桿表面磨損處可見與斷口大致平行的微裂紋。

圖3 閥桿斷口和閥桿表面的SEM形貌Fig.3 SEM mophology of fracture and surface of valve stem:a) valve stem fracture, low magnification; b) valve stem fracture, high magnification; c) valve stem surface, low magnification

1.5 能譜分析

在閥桿斷口處取樣，經鑲嵌、磨拋后，置于掃描電鏡下觀察。由圖4可見，閥桿表面存在多個腐蝕坑，可見1條起源于腐蝕坑且與主裂紋大致平行的微裂紋。對圖4方框中的腐蝕坑處和微裂紋處的腐蝕產物進行能譜分析。由表3可知，腐蝕產物中存在含量較高的硫元素，說明閥桿服役環境中存在該元素。

圖4 閥桿斷口處腐蝕坑和微裂紋的微觀形貌Fig.4 Microstructure of corrosion pits a) and micro cracks b) of valve stem fracture

表3 圖4中的腐蝕產物的能譜分析結果Tab.3 Energy spectrum analysis results of corrosion products in figure 4

1.6 顯微組織觀察

從閥桿斷口處截取剖面試樣，經化學試劑浸蝕后進行觀察。由圖5可見，閥桿表面組織為含氮索氏體+組織，閥桿心部顯微組織為回火索氏體。

圖5 閥桿斷口剖面的顯微組織Fig.5 Microstructure of fracture section of valve stem: a) surface; b) heart

1.7 硬度試驗

將磨拋后的閥桿斷口剖面試樣置于顯微硬度計上，采用2.907 N的試驗力測試試樣心部的顯微硬度，其硬度為256，258，262 HV0.3，平均值為259 HV0.3。采用維氏硬度在試驗力為2.907 N下，分別檢測閥桿斷裂位置附近與遠離斷口處的氮化層深度，根據GB/T 11354-2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》，從試樣表面測至比基體維氏硬度值高50 HV0.3(即309 HV0.3)處的垂直距離為滲氮層深度，結果見表4。由表4可見，斷裂位置附近與遠離斷口處的氮化層深度無明顯差異，距閥桿表面0.1 mm處的硬度值無明顯差異。

表4 閥桿斷裂位置附近與遠離斷口區域的硬度深度分布Tab.4 Hardness depth analysis near and far away fromfracture position of valve stem HV0.3

2 分析與討論

通過理化檢驗結果可知，斷裂閥桿的化學成分與力學性能均符合相關技術要求，其顯微組織未見異常。

閥桿的斷口宏觀形貌具有外力作用下一次性脆性斷裂的宏觀形貌特征，閥桿斷口的微觀形貌具有外力作用下一次性脆性斷裂的微觀形貌特征，與宏觀觀察結果相符。分析認為閥桿的斷裂性質為在外力作用下發生的一次性斷裂。

閥桿表面可見磨損痕跡，從閥桿的使用情況與結構分析，認為該磨損為與橫向蒸汽孔邊緣處的磨損。在該處截取剖面試樣，可見閥桿表面存在腐蝕坑，腐蝕坑處存在與斷口大致平行的向材料內部擴展的微裂紋，微裂紋內可見腐蝕產物。在腐蝕產物中檢測到腐蝕性硫元素，說明閥桿使用環境中的高溫蒸汽含有腐蝕性介質，閥桿在蒸汽輸入口處最先接觸到腐蝕性介質，導致該處發生腐蝕，形成腐蝕坑，并在腐蝕性介質與工作應力共同作用下形成應力腐蝕裂紋。

閥桿所在機組在較高負載情況下工作1.5 d后進行拆機檢測，如果閥桿在電機發生異常后馬上斷裂，那么電機會馬上停止運作，并且斷口會在高溫蒸汽與腐蝕性介質共同作用下發生氧化腐蝕。而從斷口的宏觀與微觀形貌來看，斷面較為潔凈，呈亮金屬色，整體未見異物覆蓋，說明斷口沒有發生氧化腐蝕，從而判斷閥桿是在系統停機后進行拆機檢測時發生的一次性斷裂。

3 結論及建議

(1) 閥桿的化學成分符合相關技術要求，顯微組織未見異常。

(2) 通過理化檢驗和閥桿的使用工況，綜合分析認為，閥桿是在系統停機后進行拆機檢測時發生了一次性脆性斷裂。

(3) 閥桿在蒸汽輸入口處存在腐蝕坑與應力腐蝕裂紋，產生應力集中，導致閥桿在拆解時發生斷裂。

(4) 優化拆機檢查方法，避免拆解時損壞樣品，盡量避免電機在過載情況下運行， 控制使用環境中的腐蝕性元素含量。