水電站閘門充水閥閥桿斷裂原因分析

廣波 吳興 朱生學(xué)

摘 ?要：本文采用化學(xué)成分分析和硬度測試等方法，分析了某水電站調(diào)壓室事故閘門充水閥閥桿斷裂原因。結(jié)果表明：閥桿熱處理回火不充分，使材料硬度偏高，分布不均，因此局部脆性破壞概率增加;，圓頭和直桿過渡區(qū)的應(yīng)力集中位置導(dǎo)致存在加工分界線，因此使閥桿機加工存在隱患，致使在劇烈振動下容易發(fā)生開裂現(xiàn)象;此外，充水過程中，閥頭開度較小處于水流不穩(wěn)定區(qū)，閥頭振動劇烈，導(dǎo)致應(yīng)力集中的閥桿圓頭與直桿過渡處開裂擴展;基于以上問題，本文對此提出了改進(jìn)措施并取得較好效果，為工程實踐提供了參考。

關(guān)鍵詞：大型水電站;充水閥;閥桿斷裂;化學(xué)成分分析;硬度測試

中圖分類號：TK730 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ???文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0前言

在某水電站壓力鋼管充水平壓進(jìn)行過程中，壓力鋼管充水突然中斷，通過壓力鋼管通氣孔灌水平壓后，將閘門提起檢查發(fā)現(xiàn)充水閥閥桿斷裂，閥頭掉落封堵充水管口。查找相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)斷裂的充水閥拉桿材料為40Cr13調(diào)制處理，閥桿直徑48 mm。為查明是生產(chǎn)質(zhì)量問題還是使用問題，作者通過宏觀檢查、斷口分析、金相檢驗、加工工藝等方法對閥桿斷裂原因進(jìn)行分析。

1 原因分析

1.1 斷口宏觀形貌

斷口處于圓頭和直桿過渡位置，肉眼觀察斷口宏觀形貌不一致，一半較為平整，無撕拉、扭曲、剪切痕跡，可判斷此處為斷裂起始位置，如圖1。另一半撕拉痕跡明顯，且與正應(yīng)力垂直，無扭曲，斷面收縮小，無金屬光澤，有明顯塑性變形，為缺陷擴展后受力所致，如圖2。

1.2 化學(xué)成分分析

對閥桿材料采用定量光譜方法進(jìn)行成分分析，確定材料合金元素是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測結(jié)果如下表1 所示，閥桿材料中各元素均控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，符合GB /T1220-2007對40Cr13 的規(guī)定要求。

1.3硬度測試

為了解材料強度的均勻性指標(biāo)，采用布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)對閥桿橫截面按照斷裂處宏觀形貌（平整側(cè)）邊緣→芯部→邊緣（不平整側(cè)）進(jìn)行硬度測定。從硬度數(shù)據(jù)表2來看，材料整體硬度偏高，超過GB/T1220-2007 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的40Cr13退火后的硬度上限指標(biāo)235HBW。硬度越高，相應(yīng)的強度越大、塑韌性差，發(fā)生脆性斷裂的可能性越大。從硬度測試數(shù)據(jù)中可以看出，斷口平整側(cè)平均硬度比不平整側(cè)平均硬度高，說明硬度分布不均勻，見表2。

1.4閥桿機加工

從斷口宏觀形貌可以看出，開裂起始位置裂口平整，無塑性變形和受力跡象，圓頭與直桿過渡加工時，設(shè)計圖紙圓頭與直桿過渡處有一條實線（如圖3），加工時先加工好圓頭和直桿，圓頭和直桿存在90°夾角，最后在球體上加工R5的倒角與直桿過渡，導(dǎo)致球體表面被破壞，理論上圖紙表示出直桿與球體之間并沒有實線。

該過渡段加工原因，導(dǎo)致圓頭和直桿存在實際區(qū)別線，該加工線處于應(yīng)力集中位置，在高頻劇烈振動下容易發(fā)生開裂，并發(fā)展為受力最薄弱區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致斷裂。

1.5 運行工況分析

根據(jù)設(shè)計要求，為了保持壓力鋼管充水速度在2m/min，充水閥開度局部開啟約100mm，經(jīng)計算，當(dāng)充水閥開度<125mm時水流不穩(wěn)定，閥頭受下拉力較大，高頻振動劇烈，導(dǎo)致閥桿開裂缺陷擴展。

2 結(jié)論與改善

斷裂起源于拉桿圓頭與直桿過渡處，在斷裂源斷口表面從內(nèi)到外表現(xiàn)為脆性斷裂和存在原始缺陷擴展特征。

斷裂拉桿整體硬度偏高，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明回火不夠充分，造成材料脆性增加。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)兩種不同形態(tài)，一半無撕拉塑性變形，說明閥桿存在原始缺陷。閥桿機加工方式存在隱患，導(dǎo)致在應(yīng)力集中處存在實際區(qū)別線，無平滑過渡，容易開裂。充水過程充水閥開度過小導(dǎo)致水流不穩(wěn)定，閥頭高頻振動，導(dǎo)致圓頭與直桿過渡處開裂并擴展。

根據(jù)上述分析結(jié)果，對閥門拉桿的實際生產(chǎn)過程和充水閥開度進(jìn)行了改進(jìn)完善：

（1）對原材料進(jìn)行超聲波探傷，篩查材料本體缺陷;（2）優(yōu)化閥桿圓頭與直桿過渡段加工方式，按照“先加工出直桿、再加工出圓弧角、最后加工出球體”的步驟進(jìn)行;（3）調(diào)整40Cr13 熱處理工藝，淬火后及時充分回火;（4）調(diào)整熱處理時間，確保閥桿熱處理后硬度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi);（5）按照計算要求，充水時保證充水閥開度>125mm，避開水流不穩(wěn)定區(qū)。

3總結(jié)

閥門拉桿斷裂主要是閥桿存在初始制造缺陷，在不穩(wěn)定工況下導(dǎo)致缺陷擴展造成。其主要表現(xiàn)在以下方面：（1）材料調(diào)質(zhì)回火處理不充分，硬度偏高;（2）閥桿機加工方式存在隱患，拉桿圓頭與直桿過渡處存在實際加工區(qū)別線，該加工線容易開裂;（3）運行中充水閥開度小，水流不穩(wěn)定，閥頭振動劇烈，導(dǎo)致應(yīng)力集中的圓頭與直桿過渡處開裂和擴展。結(jié)合檢修，對同批次閥桿全部進(jìn)行更換，同時加強重要金屬備品備件的質(zhì)量驗收，嚴(yán)格選材用材，確保設(shè)備安全運行，減少失效事故。對該水電站上游調(diào)壓室事故閘門充水閥閥桿斷裂的原因分析和改善處理過程為國內(nèi)外同類型電站的同類型設(shè)備提供了一定參考。

參考文獻(xiàn)

[1]李駒，楊曙建，鮑逸鳴，等.水電廠閥桿斷裂原因分析[J].華東電力，2013（3）：89-90.

[2]王笑天.金屬材料學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

收稿日期：2019-05-21

作者簡介：廣波（1987—），男，四川大邑人，本科，工程師，研究方向：水電站機械設(shè)備檢修維護(hù)。

Cause Analysis of Fracture of Upstream Surge chamber Filling Valve stem of

Hydropower Station

GUANG ?Bo，WEI ?Xing， ZHU Shengxue

（Yalong River Basin Hydropower Development Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan ?610000）

Abstract：In this paper， chemical composition analysis and hardness test are used to analyze the fracture reason of the valve stem of the emergency gate in the surge chamber of a hydropower station. The results show that the heat treatment and tempering of the valve stem are not sufficient， the hardness of the material is high and the distribution is uneven， so the probability of local brittle failure increases; the stress concentration position of the transition zone between the round head and the straight rod results in the existence of machining boundary， so there is a hidden danger in the machining of the valve stem， In addition， in the process of water filling， the valve head opening is small in the flow instability area， and the valve head vibration is intense， which leads to the crack and expansion of the transition between the round head of the valve stem and the straight rod with stress concentration. Based on the above problems， this paper puts forward the improvement measures and achieves good results， which provides a reference for engineering practice.

Key words：Hydroelectric power plant; Emergency gate filling valve stem; stem fracture; chemical composition analysis; hardness test