某汽輪機高壓主汽閥門桿斷裂原因

胡美些

(內蒙古機電職業技術學院,呼和浩特 010070)

汽輪機主汽閥是主蒸汽進入汽輪機前的第一道閥門，是保證機組安全啟停和運行的關鍵部件，長期承受著高溫、高壓工況下的復雜負荷[1]。新能源的使用和電網調峰使汽輪機調節閥承受的負荷不僅集中于啟停階段，而且還產生于機組運行的過程中，增加了汽輪機調節閥的斷裂風險。DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》中并沒有涉及汽輪機調節閥的金屬監督，進一步增加了該類部件的斷裂風險，而且該類部件斷裂之后會導致相應機組停機，由此帶來的經濟損失以及對電網的沖擊同樣不可忽視[2-5]。

某熱電公司汽輪機高壓主汽閥門桿在運行過程中發生斷裂。該汽輪機功率為600 MW，進氣壓力為16.67 MPa，進氣溫度為538 ℃，再熱溫度為538 ℃。在升負荷時發現開啟高壓調速汽門負荷無變化，初步判斷高壓主汽閥處于關閉狀態，停機檢查發現門桿發生斷裂。

該門桿所用材料為2Cr12NiMo1W1V馬氏體不銹鋼。2Cr12NiMo1W1V鋼是在12%Cr(質量分數)鋼基礎上，調整碳、鎢、鎳和鉬元素含量研制而成的國產馬氏體不銹鋼，常用作鍋爐、汽輪機、動力機械等高溫下工作的零部件，在汽輪機中主要應用于門桿、閥碟、擴散器等部件[6-8]。2Cr12NiMo1W1V鋼的熱處理工藝為1 040～1 070 ℃淬火+660～700 ℃回火調質處理。氮化處理可以使材料表面形成具有良好強度和韌性的氮化層，提高門桿表面的強度、耐磨性、耐腐蝕性和抗咬合性能，因此，門桿成型后需進行表面氮化處理。筆者對斷裂門桿進行一系列理化檢驗與分析，查明該門桿的斷裂原因，并給出解決措施，以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

利用FinePix HS33EXR型數碼相機對斷裂門桿進行宏觀觀察，結果如圖1所示。由圖1可知：門桿斷裂于漏氣“十字”形通孔處，斷口處有較為明顯的頸縮變形現象；近斷口處表面有眾多沿周向分布的細小裂紋，斷裂起源于門桿表面；斷口的主要擴展區與門桿軸向交角呈45°，具有較為典型的軸向拉應力過載斷裂特征，該處可見直徑為5 mm的“十字”形通孔，是門桿承載截面積最小的部位；斷口側面可見較為明顯的與套筒摩擦和擠壓的痕跡，門桿表面有一定厚度的氧化皮。

圖1 斷裂門桿的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

使用SPECTRO MAXx型臺式直讀光譜儀對斷裂門桿進行化學成分分析，結果如表1所示，可見門桿材料中各元素含量均符合GB/T 20410—2006 《渦輪機高溫螺栓用鋼》對2Cr12NiMo1W1V鋼的要求。

表1 斷裂門桿的化學成分分析結果 %

1.3 金相檢驗

從門桿斷口處截取試樣，并進行金相檢驗，結果如圖2所示。由圖2可以看出：門桿斷口及基體部位的組織均為回火馬氏體，晶粒粗大，晶粒度等級約為0級；表層部位的組織基本為回火索氏體，晶粒細小，晶粒度等級為10級，表層與基體部位的晶粒度差別很大；表層可見厚度約為150 μm的滲氮層，滲氮層中可見眾多微小裂紋；表層可見厚度約為100 μm的氧化皮。

1.4 力學性能測試

從斷裂門桿處取樣，使用電子萬能試驗機進行拉伸試驗，使用數字沖擊試驗機進行沖擊試驗，測試結果如表2所示。由表2可以看出，斷裂門桿的屈服強度及抗拉強度均低于GB/T 20410—2006的最低要求，沖擊吸收能量接近GB/T 20410—2006的最低要求。

圖2 斷裂門桿的顯微組織形貌

表2 斷裂門桿的力學性能測試結果

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

用掃SEM對門桿的沖擊試樣斷口進行觀察，結果如圖3所示。由圖3可以看出，斷口整體呈現準解理斷裂特征，局部有沿晶斷裂傾向[9]。

圖3 斷裂門桿沖擊試樣斷口的SEM形貌

2 綜合分析

當汽輪機正常運行時，主汽閥全開，用于控制進入氣缸的蒸汽流量；當汽輪機停機時，主汽閥關閉，特別是當汽輪機緊急停機時，主汽閥要實現快速關閉，切斷汽源。對于600 MW等級的汽輪機組，要求主汽閥完成關閉動作的時間小于0.2 s[10]。主汽閥的頻繁關閉和開啟，使門桿頻繁承受載荷的作用，并在門桿“十字”形通孔處產生一定的應力集中。主汽閥關閉開啟的過程中，門桿與套筒間會發生反復摩擦和擠壓，這些都是導致門桿斷裂的外因[11]。

由化學成分分析結果可知，門桿材料中各元素含量均符合標準要求，可以排除錯用材料的情況。從金相檢驗結果可知，門桿斷口及基體部位的組織與表層部位的組織不一致，且晶粒度差別很大。經正常的調質熱處理后，2Cr12NiMo1W1V鋼表層與心部的組織應為回火索氏體，且各部位晶粒大小均勻，整體具有良好的強度和韌性[12]。該門桿材料表層與心部組織之間晶粒度差別很大，會聚集較大的組織應力，且斷口及基體部位組織晶粒粗大，導致材料韌性變差。此外，門桿在運行過程中會承受較大的單向拉伸應力[13]。在16.68 MPa，537 ℃的水汽環境下服役，門桿金屬會發生氧化并在表面生成一層氧化膜，隨著服役時間的延長，氧化膜逐漸變厚[14-15]。當門桿與套筒采用過盈配合方式時，逐漸增厚的氧化皮會使門桿與套筒的過盈度進一步增大，導致門桿承受的拉力載荷進一步增大。在機組啟動、負荷變化或停機過程中，材料的組織不合格、抵御沖擊載荷的能力下降，使門桿和套筒發生熱沖擊作用，表層滲氮層處萌生了眾多熱應力疲勞微裂紋，在較大的拉應力作用下，門桿上承載截面最小且應力集中的“十字”通孔處形成了最大的過載，最終導致門桿斷裂。

3 結論及建議

3.1 結論

該汽輪機高壓主汽閥門桿斷裂的主要原因為：門桿材料的熱處理工藝不當、門桿與套筒之間的過盈配合、門桿和套筒發生的熱沖擊作用，使門桿表層滲氮層處萌生了眾多熱應力疲勞微裂紋，當拉應力較大時，裂紋擴展，最終導致門桿斷裂。

3.2 建議

(1) 排查其他同類型門桿是否有熱應力疲勞微裂紋及過盈度較大的情況。

(2) 改進熱處理工藝，調整淬火和高溫回火的保溫時間和冷卻速率，確保基體中細小、彌散分布的碳化物有足夠時間析出和均勻化。如果一次高溫回火后材料的力學性能不能滿足要求，可以考慮二次高溫回火。

(3) 設計時充分考慮門桿受力特性和工作時的高溫、高壓環境，改進門桿結構，加強對門桿的強度校核，選擇合適的“十字”形通孔直徑，避免在同一橫截面上出現多個孔分布，盡量減小應力集中。

(4) 采用噴焊+涂層工藝技術對滑動面進行抗氧化處理，減少氧化層，同時降低拉伸載荷，保證滑動面的抗氧化能力以及摩擦性能，避免門桿卡澀；對非接觸面采用超音速工藝噴涂抗氧化涂層，保證不產生、不脫落氧化物；門桿采用超音速噴涂工藝噴涂抗氧化涂層Cr3C2-NiCr，取消氮化層。

(5) 生產廠家加強對出廠產品的檢驗與驗收。電力企業要對門桿動作進行重點監控，定期對門桿開孔部位進行無損檢測，對于表面的微小裂紋早發現、早處理。