某電廠高壓調(diào)節(jié)汽門消音器開裂失效原因分析

姬盧東 文 森 徐 科 徐 柱 肖調(diào)兵

（1. 中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223；2. 中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

本次失效部件為一高壓調(diào)節(jié)汽門的消音器，在日常運行過程中該設(shè)備有異常聲響存在，大修期間解體檢修后發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)汽門底部的消音器部件表面一圈存在不同程度的裂紋，共計18條，個別裂紋已貫穿消音器本體。消應(yīng)器制造標準為B/HJ 403-2006《一般合金鋼鍛件訂貨技術(shù)條件》，其設(shè)計材質(zhì)為30Cr1Mo1V，運行介質(zhì)為水蒸氣，進汽溫度約279oC，壓力約6.4MPa，日常運行期間通過調(diào)節(jié)開度來實現(xiàn)不同的進氣量，汽體通過消音器底部小孔進入閥座內(nèi)部，消音器本身會受到一定載荷并伴隨振動。

1 理化試驗

1.1 宏觀形貌

對消音器整體及斷口截面進行宏觀形貌觀察，結(jié)果如圖1所示。開裂消音器為高壓調(diào)節(jié)汽門底部的內(nèi)部件，表面開有許多小孔，蒸汽通過小圓孔進入閥座。消音器一圈共存在18條線性裂紋，其中有4條裂紋已貫穿消音器基體，表面未發(fā)現(xiàn)明顯的蒸汽沖蝕及腐蝕特征。觀察裂紋發(fā)現(xiàn)靠近內(nèi)圈的寬度較大，往外圈延伸寬度變小，說明裂紋是由內(nèi)圈向外圈擴展，將裂紋打開后觀察其截面形貌，斷口表面由于暴露在高溫蒸汽中已存在一定氧化痕跡，截面呈波紋狀，初步判斷為疲勞斷裂。

1.2 化學成分

對消音器裂紋附近的基體進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。消聲器基材的Al含量高于BH/J403-2006《一般合金鋼鍛件訂貨技術(shù)條件》對30Cr1Mo1V鋼要求的上限值，其余元素的含量均在廠家技術(shù)條件對30Cr1Mo1V鋼要求的成分范圍內(nèi)。Al元素會降低材料的高溫強度和韌性，一定程度上會降低材料的抗疲勞性能[1-3]。

表1 消音器基體成分分析結(jié)果（wt.%）

1.3 微觀組織

在消聲器裂紋附近取樣進行金相組織檢驗，結(jié)果如圖2所示。基體金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，為30Cr1Mo1V經(jīng)過回火后的組織，各區(qū)域組織較為均勻，組織未見明顯異常；裂紋較為平直，為穿晶型開裂，裂紋內(nèi)有明顯的氧化特征。

圖2 消音器基體微觀組織

1.4 拉伸性能

消音器基體的室溫拉伸性能檢驗結(jié)果如表2所示。對比BH/J 403-2006《一般合金鋼鍛件訂貨技術(shù)條件》中30Cr1Mo1V（強度等級690）的要求，本次檢測的消音器基材抗拉強度為933MPa，屈服強度為781MPa，斷后伸長率為18.5%，斷面收縮率為61%，對比標準中的設(shè)計值可以看出該消音器基材的拉伸性能符合標準設(shè)計要求。

表2 消音器基體拉伸測試結(jié)果

1.5 微觀形貌

裂紋斷口截面的微觀形貌如圖3所示。將裂紋打開沿著裂紋的反方向查找裂紋源，由于消音器的運行介質(zhì)為高溫蒸汽且裂紋源是最先暴露在蒸汽介質(zhì)中，所以該區(qū)域已被嚴重氧化腐蝕，其表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕產(chǎn)物較厚，斷裂形貌特征已無法觀察。觀察斷口的其他區(qū)域，在斷口的局部區(qū)域觀察到典型的疲勞弧線形貌，將疲勞弧線區(qū)域繼續(xù)放大可看見疲勞條紋，說明消音器的失效是由疲勞開裂所致。

圖3 斷口截面微觀形貌

2 失效原因分析

本次失效設(shè)備為汽輪機進汽管線高壓調(diào)節(jié)汽門的消音器，日常運行是該設(shè)備存在異常聲音，解體檢修后發(fā)現(xiàn)該閥門的消音器上存在不同程度的裂紋。通過對消音器基材的理化檢驗發(fā)現(xiàn)消音器一圈共存在18條裂紋，根據(jù)裂紋寬度判斷裂紋起源于內(nèi)圈表面并往外圈擴展，其中有4條裂紋已貫穿消音器基體，化學成分結(jié)果顯示基材的Al含量超出標準范圍，其余元素均在要求范圍內(nèi)。材料微觀組織為回火索氏體+少量鐵素體，組織未見明顯異常，裂紋為穿晶型開裂，且內(nèi)部存在氧化特征，材料的拉伸性能符合標準要求，斷口微觀形貌氧化痕跡較為嚴重，但在局部區(qū)域觀察到了疲勞條紋，說明消音器的失效是由疲勞開裂所導(dǎo)致。

通過理化檢驗確定了高壓調(diào)節(jié)汽門消音器的失效是疲勞開裂所致，調(diào)查現(xiàn)場工況可知該閥門主要作用是控制汽輪機的進汽量，底部的消音器存在許多小孔，蒸汽在小孔中消耗大量動能，以小股汽流進入閥座，從而能有效抑制調(diào)節(jié)閥的噪音和振動，所以消音器由于進汽量的變化會受到一定的載荷同時伴隨著振動，經(jīng)過長期的日常運行過程，最終消音器基體出現(xiàn)了疲勞裂紋[4-6]。此外消音器基材的Al元素含量為0.066，遠高于標準對30CraMo1V的限定范圍，Al元素含量超標會降低材料的高溫強度和韌性，從而降低材料的抗疲勞性能，加速了疲勞開裂的過程。

3 結(jié)語

綜上所述分析，高壓調(diào)節(jié)汽門消音器運行過程中由于進汽量變化而產(chǎn)生的載荷和振動，長期運行過程中產(chǎn)生了疲勞開裂，導(dǎo)致了異音的出現(xiàn)。振動疲勞開裂是消音器失效的主要原因，基體材質(zhì)的不合格加速了其疲勞開裂的過程。