摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、力學性能測試、硬度測試等方法對某300 MW 汽輪機主汽門門桿斷裂原因進行了研究。結果表明:該門桿存在變截面結構、應力相對集中、內部 存在夾雜物、材料硬度偏低等問題;在交變應力作用下,門桿受到很大的沖擊力,超過其臨界斷裂強 度,最終發生脆性斷裂。
關鍵詞:主汽門門桿;應力集中;夾雜物;交變應力;脆性斷裂
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)08-0032-04
汽輪機高壓主汽門是用于快速切斷汽輪機進 汽、停機的保護裝置,是防止汽輪機超速的關鍵保護 裝置。近年 來,高 壓 主 汽 門 門 桿 斷 裂 事 故 經 常 發 生[1],門桿斷裂的原因也多種多樣,如材料錯用[2]、 桿表面磨削加工時存在殘余應力、排孔壁處滲氮層 應力集中、桿根部存在機械加工尖角、桿根部受低頻 振動的影響等。門桿斷裂會引起汽輪機超速,并帶 來一系列安全事故和經濟損失,因而需要對主汽門 門桿斷裂原因進行深入研究。
某電廠2號機組300 MW 汽輪機設備是亞臨 界、中間再熱、高中壓合缸單軸、雙缸雙排汽、凝汽式 汽輪機。汽輪機兩側各有 1 個高壓主汽門(TV)、 3個高壓調節汽門(GV),新蒸汽首先通過高壓主汽 門,再流到高壓調節汽門,最后進入高壓缸做功,通 過外缸下面的兩個排汽口流到再熱器。在汽輪機運 行過程中,發現其主汽門漏氣,經檢查后發現該主汽 門沒有全開。將主汽門門桿拆卸后,發現門桿斷開, 門桿材料為2Cr12NiMo1W1V 鋼。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對該主汽門結構及斷裂情況進行檢查,主汽門 門桿斷口宏觀形貌如圖1所示,斷裂部位如圖2所 示。該高壓主汽門為“雙重閥碟”結構,由兩個單座 的不平衡閥組成,一個閥安裝在另一個閥的內部。 閥處于關閉位置時,蒸汽的進汽壓力與壓縮彈簧的 作用力將每一個閥門緊緊地關閉在閥座上,閥碟與 頭頸導向部分的設計間隙較小,行程為 15.5mm, 門桿直徑為36mm。
從斷裂部位可以看出:門桿斷裂于變徑處,該部 位是典型的應力集中部位,是門桿最為脆弱的部位。 從門桿斷口的宏觀形貌可見:斷裂面呈粗糙顆粒狀, 斷裂面寬約9mm,斷面無明顯塑性變形,無塑性斷 裂韌窩,呈現典型的脆性斷裂特征,符合馬氏體的斷 口特征。斷面無明顯疲勞源和貝紋線,但由于該斷 面存在磨損損傷的痕跡,因此不能判斷是否存在疲 勞。從另一斷口位置看,大直徑處斷口邊緣較鋒利, 小直徑處斷口邊緣較鈍,推斷斷裂是從小直徑處先 發生的。從斷口局部放大形貌可見:斷面整體呈圓 臺側邊狀,表明該斷裂是沿著大、小直徑之間的連接 面擴展的,連接面的有效厚度最薄,同等條件下,該 連接面處裂紋擴展最為迅速。小直徑處斷裂面一圈 較為光亮,而大直徑處斷裂面的斷口呈高低不平狀, 從大直徑向小直徑方向約1/4處,斷面逐漸呈平滑 狀,從而可推斷出該裂紋擴展是從小直徑處向大直 徑處發生的單向擴展行為,斷口表面存在明顯的氧 化和磨損痕跡。小直徑斷面處最外邊緣一圈較為光 亮,存在加工退刀槽,退刀槽會增加缺口的敏感性, 該區域為可能的裂紋起源位置。從宏觀分析上可初 步推斷該門桿斷裂是典型的脆性斷裂,無明顯的疲 勞跡象,斷裂的原因與門桿的瞬時應力狀態有關。
1.2 化學成分分析
門桿材料為2Cr12NiMo1W1V 馬氏體不銹鋼, 根據 GB/T8732—2014《汽輪機葉片用鋼》的規定, 該門桿一般加熱至980~1040 ℃,保溫后油淬,并 在650~750 ℃進行回火處理。其中 Cr,W,Mo元 素的含量略高,缺口敏感性小,具有良好的減震性和抗松弛性,綜合性能較好。同時,為了提高門桿的耐 磨性能和整體抗疲勞性能,在對門桿表面進行熱處 理時,需增加表層滲氮處理工藝,滲氮層深度一般為 0.3~0.5 mm。對主汽門門桿斷裂附近部位(編號 1)及斷裂兩側桿部位(編號2,3)的表面進行磨光, 并清理干凈,使用便攜式全定量直讀光譜儀進行化 學成分分析,結果如表1所示。由表1可以看出:該 門桿 整 體 的 化 學 成 分 符 合 GB/T8732—2014 對 2Cr12NiMo1W1V 鋼的要求。
1.3 金相檢驗
對門桿斷 口 處 進 行 金 相 檢 驗,在 該 門 桿 端 部 截取試 樣,鑲 嵌 后 經 240 # ,320 # ,500 # 砂 紙 進 行 磨制處理,隨后拋光,之后使用鹽酸三氯化鐵水溶 液腐蝕,在 光 學 顯 微 鏡 下 觀 察,結 果 如 圖 3 所 示。 由圖3a),3b)可知,該門桿的邊緣及心部組織存在 大量的夾雜物,在同等面積下,心部組織中夾雜物 的數量較邊緣部位多,夾雜物尺寸較邊緣部位大。 由圖 3c)可 知,邊 緣 部 位 表 層 存 在 氧 化 層,厚 約 30μm,氧化層下即為滲氮層,顯 微 組 織 為 含 氮 的 索 氏 體 組 織,外 側 表 面 的 氮 化 層 厚 度 為 0.49~0.51mm,符合滲氮處理后滲氮層厚度要求 (0.3~0.5mm)。滲氮層會降低表層材料的韌性, 滲氮層下方 為 板 條 狀 馬 氏 體 組 織,組 織 中 有 大 量 的金屬及非金屬夾雜物。由圖3d),3f)可以看出, 心部為板條狀馬氏體組織,晶粒度評級為4級,組 織中含有大量的夾雜物(黑色物質)。
1.4 掃描電鏡和能譜分析
將腐蝕后的試樣放置在掃描電鏡(SEM)下觀 察,結果如圖4所示,對其夾雜物進行能譜分析,結 果如圖5~7所示。在圖4中可以清晰看出金屬及 非金屬夾雜物(孔洞為夾雜物被腐蝕后留下的,白色 物質為氧化物夾雜物,黑色物質為金屬夾雜物)。
對表層滲氮層組織界面進行能譜分析,表層1 距離表面約0.15mm,表層2距離表面約0.35mm,其分析位置及能譜圖如圖6,7所示。由圖6,7可以 看出:該門桿進行過滲氮處理,表層滲氮層厚度約為 0.5mm。由能譜分析結果可知:越是靠近表層,含 氮量越高,滲氮量隨著滲氮層深度的增加而減少。
1.5 硬度測試及力學性能測試
采用布氏硬度計分別對邊緣組織(不包括滲氮 層)和心部組織進行硬度測試,為減少表面粗糙度對 試驗結果的影響,在試樣表面進行測試,結果如表2 所示。由表2可知:試樣表層及中心部位的硬度分 別為265.1HB和251.4HB,均比標準值的下限小 10HB,其心部組織的硬度比邊緣部位小約10HB。
沿門桿縱向截取拉伸試樣和沖擊試樣,對其進 行力學性能測試,共測試3次,結果如表2所示。由 表2可知:該斷裂門桿的抗拉強度為913.7MPa,低 于標準下 限 值,斷 后 伸 長 率 及 沖 擊 吸 收 能 量 符 合 GB/T8732—2014的要求,但均接近標準下限值。
2 綜合分析
該門桿斷裂是與多方面因素有關的[3],綜合以 上試驗結果分析,門桿斷裂的原因主要有以下幾點: ① 從門桿結構來看,斷裂位置為凸臺變截面位置, 變截面結構一方面會引起應力的高度集中,另一方 面會縮小承載面積,單位面積承載的強度增大,同時 該處的應力相對集中,斷裂傾向比其他部位高很多; ② 受門桿同軸度、紊流等因素的影響,門桿在運行過 程中會出現偏斜現象,使得門桿處于交變應力的環境 中;③ 斷桿小直徑處(中心部位)存在加工退刀槽,其 增加了該處缺口的敏感性,更容易產生裂紋;④ 主汽 門在運行過程中,門桿會受到較大的、瞬時的沖擊力, 使得門桿薄弱部位易發生斷裂;⑤ 閥碟與頭頸導向 部分的設計間隙較小,表面產生的氧化物脫落導致間 隙堵塞,使門桿受力過大;⑥ 門桿長期服役后,材料 的力學性能下降,當材料力學性能低于標準要求時, 容易發生斷裂;⑦ 材料的基體為板條馬氏體組織,且存在大量的夾雜物,材料本身存在較大的組織應力和 熱應力;⑧ 該斷裂門桿材料呈現出明顯的軟化現象, 其硬度及抗拉強度均低于標準值。
3 結語
該主汽門門桿存在變截面結構,且應力相對集 中,承載面積小,材料內部存在大量的夾雜物,中心 部位夾雜物數量較邊緣部位(大直徑處)多,組織應 力與熱應力較大,材料的硬度低于標準值,中心部位 的硬度更低,長期服役后材料的力學性能出現下降, 導致其抗拉強度不夠;門桿在運行過程中受同軸度 及紊流的影響,受到一定的交變應力,同時受間隙和 異物堵塞的影響,門桿易出現受力過大現象;主汽門 運行時,在交變的應力環境中,當門桿受到的沖擊力 超過材料的臨界斷裂強度時,門桿在小直徑處先出 現裂紋,隨后向大直徑處擴展,最終發生脆性斷裂。
參考文獻:
[1] 蘇利輝.600MW 汽輪機主機汽門門桿斷裂原因分析 [J].科學技術創新,2017(27):4-5.
[2] 王志武,費勤楠,梅偉,等.300 MW 汽輪機高壓主汽 閥閥桿斷裂原因分析[J].金屬熱處理,2011,36(8): 21-24.
[3] 張濤,田峰,陳 浩,等.超 臨 界 汽 輪 機 中 壓 調 速 汽 閥 2Cr12NiMo1W1V 鋼閥桿斷裂原因分析[J].理 化 檢 驗(物理分冊),2015,51(4):278-282,289.