主給水電動閘閥閥桿斷裂失效分析

楊鵬，吳章勤，孫成剛，王明智，李明東，楊力，杭天培，陳依龍

(1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217；2.云南滇東雨汪能源有限公司華能雨汪電廠，富源 655500；3.紅河州質量技術監督綜合檢測中心，蒙自 661100)

0 前言

火電廠鍋爐主給水電動閘閥作為鍋爐給水主路與旁路切換的關鍵節點，在鍋爐啟動及停爐時通過主給水電動閘閥和主給水旁路調節閥來實現的鍋爐主給水的切換，是鍋爐給水系統中最重要的設備之一[1,2]。某電廠2號機組啟動時因鍋爐主給水電動閘閥閥桿斷裂無法開啟以保持汽包正常水位，需要進行停爐處理，導致機組解列。鍋爐為600MW亞臨界W火焰鍋爐，閥桿材料為S41000不銹鋼，為美國ASTM標準馬氏體不銹鋼，閥桿直徑為95mm，腹板厚度為30mm，翼板厚度為31mm。鍋爐累計運行時間為27000多小時，運行過程中閘閥累計操作幾十次，閘閥工作溫度為286℃。對發生斷裂失效的閘閥閥桿進行宏觀檢查及宏觀斷口分析、化學成分分析、拉伸試驗、硬度試驗、金相檢驗以及掃描電子顯微鏡分析，找出了引起閥桿斷裂失效的原因，并對以后電廠檢修及運行提出了相應的改進建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查及斷口分析

對發生斷裂失效的主給水電動閘閥閥桿進行宏觀檢查，圖1為主給水閘閥結構示意圖及閥桿端頭T型頭斷裂圖像，可見主給水閘閥閥桿端頭T型頭部位斷裂成為三個部分（T型頭翼板、T型頭、閥桿），腹板存在變形及輕微頸縮。從腹板斷口可以明顯看出斷口為塑性斷裂，應為翼板斷裂后，T型頭未斷裂的翼板單邊受力，在拉力及受力不平衡產生的扭矩的作用下，腹板受力超過設計條件，從而導致腹板斷裂，因此對其不再進行詳盡分析。

圖1 主給水閘閥結構示意圖及閥桿端頭T型頭部位圖像

翼板斷裂位置圖像如圖1所示，可見裂紋起源于T型頭倒角處，裂紋平直，裂紋附近無明顯塑性變形痕跡。斷面平整、除距倒角2-3mm區域的斷口灰暗，無金屬光澤，其余區域呈金屬光澤，斷口處除斷面間相互摩擦產生的損傷外，斷口無明顯損傷，斷口附近無明顯塑性變形痕跡，斷裂屬于脆性斷裂。T型頭斷裂處倒角邊緣靠近腹板側存在眾多微小裂紋，裂紋平行于倒角軸線。由此可以推斷，裂紋起源于T型頭斷裂處倒角區域。

1.2 化學成分分析

使用SPECTRO MAXx-LMM16落地式直讀光譜分析儀對閥桿進行材料成分分析，試驗結果符合美國標準ASTM A 479/A 479M-08[3]對S41000不銹鋼成分技術要求，閥桿的化學成分符合技術要求。

1.3 力學性能試驗

在閥桿取樣進行拉伸、沖擊試驗，試樣按GB/T 2975-1998《鋼產品力性試驗取樣位置及試驗制備》[4]制備，取縱向拉伸樣品，在CMT5305微機控制電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，取縱向沖擊樣品，在JBDW-500B全自動低溫擺錘沖擊試驗機上進行沖擊試驗。閥桿的力學性能試驗結果表明所有試樣屈服強度、抗拉強度、斷面收縮率符合ASTM A 479/A 479M-08[3]對S41000 condition 2的要求，延伸率不符合ASTM A 479/A 479M-08[3]對S41000（condition 2）的要求。

使用930TM多功能硬度計對閥桿橫截面和表面進行硬度測試，測試方法為HBW，測點1為中心位置，測點2距邊緣40mm，測點3距邊緣10mm。可見試樣硬度測試結果符合ASTM A 479/A 479M-08[3]對 S41000（condition 2）的硬度值的要求。從橫截面硬度和閥桿表面硬度相差較小，可以得知閥桿表面未經過表面處理。

1.4 金相檢驗

對閥桿橫截面及斷裂翼板橫截面進行金相試驗，試樣經磨制、拋光后，采用苦味酸鹽酸酒精溶液化學侵蝕，在Zeiss Axio Observer臥式金相顯微鏡上觀察金相試驗的組織形態，兩個試樣金相組織相同，均為板條馬氏體，多數位置可見奧氏體原晶粒。斷裂閥桿金相組織正常。

2 斷口掃描電鏡分析

利用Zeiss EVO 60掃描電子顯微鏡對T型頭倒角處腹板側斷口進行掃描電鏡及電子能譜分析，可以觀察到裂紋擴展區的疲勞輝紋[5]，及瞬斷區的解理斷裂形貌[5]。對疲勞輝紋及瞬斷區進行電子能譜分析，未發現夾雜等異常情況，能譜測試分析結果正常。

由宏觀檢驗及斷口分析表明，斷裂屬于脆性斷裂，裂紋起源于T型頭斷裂處倒角區域。而T型頭倒角部位結構突變造成應力集中，倒角較小增加了應力集中程度。由上述的理化檢驗的結果可見，除延伸率略低于標準要求外，斷裂閥桿的化學成分和力學性能均滿足相關相關標準的技術要求，閥桿顯微組織正常，說明閥桿斷裂與材質無關。由掃描電鏡分析及電子能譜結果可見，可觀察裂紋擴展的疲勞輝紋及瞬斷區的解理形貌，其進行電子能譜分析未發現夾雜等異常情況，能譜測試分析結果正常，說明斷裂為疲勞斷裂。鍋爐主給水電動閘閥主要作用是鍋爐啟停時動作來完成給水主路與旁路的切換，根據鍋爐的運行時間，其運行時動作次數約幾十次。

綜上所述，主給水電動閘閥閥桿斷裂的主要原因是T型頭倒角部位結構突變造成應力集中，倒角較小增加了應力集中程度，加上閘閥運行過程中一些因素的影響使得該T型頭倒角處處于應力值較高狀態，在閘閥開啟過程中產生裂紋源，在閘閥動作時的交變應力的作用下，由于裂紋的擴展，最終導致T型頭單側斷裂。

3 結束語

主給水電動閘閥斷裂為低周疲勞斷裂，T型頭倒角部位結構突變造成應力集中，倒角較小增加了應力集中程度，加上閘閥運行過程中一些因素的影響使得該T型頭倒角處處于應力值較高狀態，在閘閥開啟過程中產生裂紋源，在閘閥動作時的交變應力的作用下，由于裂紋的擴展，最終導致T型頭單側斷裂。在閘閥運行過程中下列因素將增大T型頭倒角處應力值：T型頭受力不平衡，單邊受力；在運行過程中，在開啟沖擊力及在開啟過程中存在閘板卡澀等；閘閥行程保護位置點設置過高或失效，未起到保護作用，建議如下：

按規定[6-8]規定了閥門解體檢修的項目及質量要求，因此電廠應按照其要求結合電廠實際情況，編寫閥門的檢修規程及檢修工藝卡定期對閥門進行解體檢修，以提高設備運行可靠性及延長設備使用壽命。機組長期停（備）用已成為常態[9]。長期停爐可能導致閥門銹蝕而在動作過程中產生卡澀，因此有必要針對此問題編寫運行規程，對于長期停爐狀態的鍋爐，對于重要閥門，應定期進行動作，防止卡澀。