聯(lián)合循環(huán)機(jī)組高壓主汽閥閥碟失效分析

姚武

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引 言

高壓主汽閥是主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的第一道閥門，是保證機(jī)組安全啟停和運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其主要功能是在危急情況下能迅速自動關(guān)閉，切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽通路，使機(jī)組停止運(yùn)行以防止產(chǎn)生過大的超速或避免某些不良的后果[1-2]。因其作用關(guān)鍵，因此各大汽機(jī)制造廠對閥內(nèi)各機(jī)械零部件的質(zhì)量要求也越來越高。

高壓蒸汽管道上所用的主汽閥門及調(diào)節(jié)閥門，是由多種零部件構(gòu)成的，材料有鑄件和鍛件等[3]。閥門內(nèi)部件如閥桿、閥碟等在運(yùn)行時(shí)，受到高溫蒸汽介質(zhì)作用、潤滑劑和填封材料等腐蝕作用及水汽的沖蝕作用，還有閥門頻繁啟閉過程中造成的閥桿和閥碟的磨損等[4]，因此，對閥門內(nèi)部件也提出了諸多要求：1)所用材料在高溫的長期作用下，需要有較好的強(qiáng)度，并要求具有較好的組織穩(wěn)定性；2)零件表面應(yīng)進(jìn)行處理，如氮化、噴涂等。以使其耐磨，避免閥門頻繁的啟閉過程中由于磨損而很快漏氣[5]；3)零件表面應(yīng)經(jīng)受得住潤滑劑和填封材料的腐蝕作用和水汽的銹蝕及沖蝕作用等。

材料質(zhì)量和零部件的精密度雖然有較高的要求，但零部件的尺寸、形狀或材料性能會因某種外界因素的作用發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)生局部或整體斷裂，使其無法或不能滿足使用要求。只有正確地辨認(rèn)或評價(jià)可能影響設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)的全部潛在失效形式[6]，才能成功地設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出能夠預(yù)防過早出現(xiàn)失效問題的產(chǎn)品。同時(shí)這也要求設(shè)計(jì)人員、生產(chǎn)人員至少能夠熟悉可在現(xiàn)場觀察到的各種失效形式，及這些失效形式發(fā)生的條件、特點(diǎn)，并掌握失效預(yù)測的分析技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)、問題分析的綜合技能。只有這樣才能在設(shè)計(jì)制造中，在失效預(yù)防上采取主動而且有效的措施，依據(jù)對性能、使用壽命、重量、成本等所有要求的評價(jià)準(zhǔn)則，作出最佳且合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

通過失效分析[7]，找出失效原因，提出有效改進(jìn)措施以防止類似失效事故的重復(fù)發(fā)生，從而保證閥門的安全運(yùn)行。

1 實(shí)例分析

1.1 情況介紹

某電廠125 MW聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，已投運(yùn)3 a，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓主汽閥閥碟出現(xiàn)裂紋，現(xiàn)取閥碟裂紋部分進(jìn)行原因分析，閥碟宏觀照片見圖1。閥碟裂紋位于圓筒端部區(qū)域，裂紋沿軸向分布，裂紋長約76 mm；閥碟表面呈黑灰色，局部氧化皮脫落，外表面裂紋局部斷面存在缺失，內(nèi)表面裂紋附近一側(cè)局部存在凸起。

圖1 閥碟取樣部分宏觀形貌

1.2 斷口宏觀分析

閥碟斷口宏觀形貌見圖2。整個(gè)斷面較為平坦，沒有明顯的塑性變形，斷面呈青灰色，氧化嚴(yán)重；裂紋自閥碟內(nèi)表面向內(nèi)部及外表面擴(kuò)展，端部斷面較為平坦，可見收斂于閥碟表面的放射狀條紋。

圖2 閥碟裂紋形貌

1.3 斷口微觀分析

在SUPRATM55掃描電子顯微鏡下觀察閥碟斷面微觀形貌，斷口微觀形貌見圖3，由圖3可見：斷面較為平坦，氧化嚴(yán)重，斷面大部分區(qū)域形貌為氧化物形貌，內(nèi)表面凸起處斷面連續(xù)，無磕碰磨損形貌。

圖3 斷口微觀形貌

1.4 材質(zhì)分析

在閥碟上取樣，取樣位置如圖4所示，檢驗(yàn)閥碟材質(zhì)的化學(xué)成分、硬度和金相組織。

1.4.1 化學(xué)成分分析

按照GB/T223“鋼鐵及合金化學(xué)分析方法”系列標(biāo)準(zhǔn)對閥碟進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，由表1可見，閥碟鋼的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

圖4 閥碟材質(zhì)取樣位置示意圖

表1 閥碟化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果 %

1.4.2 力學(xué)性能

按照GB/T231“金屬布氏硬度試驗(yàn)方法”在HB3000型硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行硬度試驗(yàn)。閥碟的力學(xué)性能測試結(jié)果見表2，由表2可見，閥碟的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表2 閥碟的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4.3 金相組織

在閥碟上取樣，按照GB13298“金屬顯微組織檢驗(yàn)方法”、GB/T10561“鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)方法、GB13299“鋼的顯微組織評定方法”和GB/T6394“金屬平均晶粒度測定方法”，利用Axioyert 40 mat倒置金相顯微鏡對3#金相試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，并對1#金相和2#金相滲氮層層深進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。金相照片見圖5。可見閥碟的金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，但閥碟內(nèi)表面未按技術(shù)要求進(jìn)行滲氮保護(hù)，內(nèi)表面存在厚度約為0.37 mm的滲氮層，內(nèi)表面滲氮層分布多條垂直表面的裂紋。

1.5 斷口金相

表3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 閥碟裂紋形貌及基體金相組織 100×

在閥碟斷口不同區(qū)域位置制備斷口試樣，取樣位置見圖6，使用Axioyert 40 mat倒置金相顯微鏡對3個(gè)不同位

置的斷口金相試樣進(jìn)行分析，組織照片見圖7，由圖7可見，一方面，閥碟內(nèi)外表面存在一定深度的滲氮層，且1#、2#位置斷口附近內(nèi)外表面滲氮層深度大于其他位置，2#位置內(nèi)表面凸起處也存在一定深度滲氮層；另一方面，閥碟內(nèi)外表面存在多條平行于斷口的細(xì)小裂紋，裂紋貫穿滲氮層，裂紋尖端較為尖銳。

1.6 設(shè)計(jì)復(fù)核

圖6 斷口金相取樣位置示意圖

閥碟與套筒配合位置如圖8所示。從圖8中可以看到，安裝狀態(tài)下，閥碟出現(xiàn)裂紋位置（圖中云線所示）的內(nèi)表面不與其他零部件接觸，外表面與套筒間隙配合，理論上不存在摩擦受力；運(yùn)行狀態(tài)下，閥碟與套筒受熱膨脹，因兩個(gè)零件材料相同，沒有脹差，因此理論上也不存在摩擦受力，而裂紋位置整體處于進(jìn)汽壓力狀態(tài)，不存在壓差，因此，閥碟正常狀態(tài)下，閥碟裂紋位置承受較小的工作應(yīng)力。

圖7 斷口金相滲氮層深及裂紋形貌

1.7 分析與討論

1）閥碟斷口分析表明，閥碟斷口整體平坦，無塑性變形，可見收斂于閥碟內(nèi)表面的放射狀棱線，說明閥碟裂紋起始于閥碟表面。另一方面，閥碟內(nèi)表面斷口單側(cè)存在凸起，斷面無磕碰磨損形貌，推測凸起是在裂紋形成后的機(jī)械加工過程中形成。

圖8 閥碟裝配示意圖

根據(jù)資料介紹，圓套或空心管類零件淬火時(shí)由于內(nèi)孔冷卻較慢，熱應(yīng)力較小，內(nèi)孔表面在組織應(yīng)力作用下處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而且切向拉應(yīng)力較大，在淬火過程中圓套或空心管類零件內(nèi)壁上容易產(chǎn)生縱向淬火裂紋。閥碟裂紋形態(tài)及走向與上述裂紋形態(tài)相符。淬火過程裂紋的產(chǎn)生與組織應(yīng)力及熱應(yīng)力有關(guān)，如果淬火過程中工藝控制不當(dāng)引起應(yīng)力大于材料本身抗力時(shí)，便會在缺陷或應(yīng)力集中等薄弱位置產(chǎn)生開裂，淬火裂紋并不一定存在明顯的裂紋源。即使存在裂紋起始部位，閥碟經(jīng)過上述加工過程，裂紋起始位置也可能被加工掉。

2）閥碟斷口金相分析表明，閥碟上內(nèi)外表面均存在一定深度的滲氮層，滲氮層存在多條垂直表面的細(xì)小裂紋，且斷口附近內(nèi)外表面滲氮層深大于其他位置，說明閥碟表面在進(jìn)行滲氮處理前已經(jīng)存在原始裂紋，在滲氮過程中裂紋兩側(cè)滲入一定深度滲氮層；另一方面閥碟內(nèi)表面凸起處存在滲氮層，進(jìn)一步證明在滲氮處理前閥碟表面原始裂紋的存在。

淬火過程中產(chǎn)生裂紋，斷面在后續(xù)氮化過程中會存在氮化層，根據(jù)實(shí)驗(yàn)斷口金相結(jié)果表明，只有靠近內(nèi)外圓表面位置裂紋存在氮化層深度，這是由于氮化過程實(shí)際也是氮原子的擴(kuò)散過程，靠近外表面氮原子濃度高，氮原子擴(kuò)散驅(qū)動力大，更有利于氮原子擴(kuò)散，越向裂紋內(nèi)部氮原子濃度越低，越不利于氮原子擴(kuò)散。另一方面，裂紋越往內(nèi)部裂紋張口越小，氮原子擴(kuò)散通道越窄（實(shí)際滲氮過程中出現(xiàn)過由于工件擺放過近而影響滲氮層深的例子），故受氮原子擴(kuò)散能力限制，只在靠近內(nèi)外圓表面位置裂紋斷面存在一定的氮化層深。

3）從閥碟材質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果來看，閥碟化學(xué)、硬度和金相檢驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，即閥碟產(chǎn)生裂紋應(yīng)與閥碟材質(zhì)無關(guān)。

4）從設(shè)計(jì)復(fù)查結(jié)果來看，閥碟與套筒使用同種材質(zhì)，結(jié)構(gòu)上屬于間隙配合，理論上不承受摩擦力，閥碟運(yùn)行過程中裂紋位置承受較小的工作應(yīng)力，即閥碟的工作應(yīng)力不是導(dǎo)致閥碟產(chǎn)生裂紋的原因。

2 結(jié)語

閥碟出現(xiàn)裂紋的主要原因是閥碟表面在滲氮處理前存在原始裂紋。建議嚴(yán)把檢驗(yàn)關(guān)，增加無損探傷檢查，保證閥碟表面無原始裂紋。建議加強(qiáng)對閥碟內(nèi)表面的防滲氮保護(hù)，避免閥碟內(nèi)表面被滲氮。

1）嚴(yán)格控制熱處理過程，預(yù)防淬火裂紋的發(fā)生。預(yù)防工作應(yīng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)源頭開始抓起，設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確地選擇適用材料，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提出科學(xué)的熱處理技術(shù)要求。零部件設(shè)計(jì)完成后，熱處理技術(shù)人員應(yīng)對圖樣及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行工藝性審查，最后工藝人員進(jìn)行全面分析，妥善合理地安排工藝路線。熱處理技術(shù)人員應(yīng)正確制定熱處理工藝，選擇合適的加熱溫度、保溫時(shí)間、加熱介質(zhì)、冷卻介質(zhì)和冷卻方式，明確在熱處理過程中的操作要點(diǎn)，現(xiàn)場實(shí)施前應(yīng)進(jìn)行必要的工藝驗(yàn)證，并要求操作者嚴(yán)格正確地執(zhí)行工藝規(guī)定，規(guī)范操作。

2）加強(qiáng)原材料檢驗(yàn)，控制鍛件質(zhì)量。鍛件設(shè)計(jì)完成后，為了保證將來交付的鍛件具有圖樣及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸精度和力學(xué)性能要求，確保鍛件在后續(xù)使用過程中不發(fā)生失效斷裂等問題。應(yīng)對鍛件的質(zhì)量進(jìn)行控制，對從原材料的選擇、入場前的質(zhì)量檢驗(yàn)、鍛造過程都應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行控制，以保證鍛件生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定和產(chǎn)品的一致。對鍛件用鍛坯及輔料進(jìn)行入廠前質(zhì)量檢驗(yàn)，對制造廠提供的質(zhì)量證明文件進(jìn)行審查，確保相關(guān)檢驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；對鍛造生產(chǎn)過程中的可變參數(shù)和鍛件的內(nèi)外部質(zhì)量進(jìn)行定期的測定和檢驗(yàn)，對重要鍛件質(zhì)量的控制可采取增加無損探傷等手段，避免鍛后裂紋等缺陷的產(chǎn)生，保證零件后續(xù)使用過程中的安全性和穩(wěn)定性。

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