蒸汽調節閥組閥桿斷裂故障分析

張森森

（海裝重大專項裝備項目管理中心，北京 100071）

0 引言

某動力設備的蒸汽調節閥組主要用于控制進入設備內部蒸汽量，結構如圖1所示。液壓機構通過連桿機構使調節閥組的閥桿上下移動，從而控制進入設備內部的蒸汽量。

設備在運行過程中出現瞬間超速現象，分析認為是由蒸汽調節閥組閥桿卡澀引起，通過對調節閥組進行拆檢，發現右側閥桿斷裂。本文通過查閱國內類似閥桿的相關使用、設計和故障處理過程[1-5]，從設計計算、制造及金屬材料失效分析等方面，分析閥桿斷裂的原因。

圖1 蒸汽調節閥三維圖

1 閥桿斷裂設計及制造分析

1.1 設計及制造復查

蒸汽調節閥組閥桿直徑為Φ17，材料為25Cr2MoVA（可從GB/T 3077中進行查詢），表面進行淡化處理，設計使用溫度為～415 ℃，與閥桿相配合的襯套零件與閥桿相同，設計配合直徑間隙為（0.10～0.17）。材料的線膨脹系數見表1。

表1 材料線膨脹系數

根據材料線膨脹系數計算得：閥桿的直徑增加為0.083 mm，設計間隙滿足使用要求。

通過計算，閥桿的最大作用載荷為4 336 N，按閥桿的直徑計算出應力為19.1 MPa，遠小于材料的屈服極限930 MPa。因此閥桿的設計是滿足要求。

1.2 制造復查

對閥桿的原材料進行核查，材料化學成分、機械性能、硬度及表面滿足技術要求規定值、調質處理均滿足要求。

2 失效分析

為更好地分析斷裂的閥桿，對其材料進行了失效分析。圖2為送檢的閥桿，送檢的閥桿包括1根斷裂的閥桿和1根完好的閥桿，要求材料所進行如下項目的分析。

圖2 斷裂的調節閥閥桿

檢測過程中采用的試驗方法及檢測設備見表2。

表2 失效分析方法及儀器

2.1 宏觀分析

截取閥桿斷口處的樣品，斷口宏觀形貌見圖3。

圖3 斷口宏觀形貌圖

圖3(a)中斷口整體較為平整潔凈，呈亮金屬色，未見異物覆蓋，斷面與軸向大致垂直，整體未見明顯塑性變性，斷面較為粗糙，符合外力作用下一次性脆性斷裂的宏觀形貌特征。

將斷口拼合，宏觀形貌見圖3(b)，可見閥桿上存在磨損痕跡，磨損痕跡的邊緣存在明顯輪廓，如圖3(b)中標識所示。綜合宏觀分析，該閥桿斷裂性質為外力作用下的一次性脆性斷裂。

2.2 SEM形貌分析與EDS能譜分析

將斷口處樣品置于掃描電鏡內進行觀察，斷口SEM形貌見圖4(a)～圖4(d)。放大觀察，斷口主要形貌特征為準解理＋韌窩，SEM形貌見圖4(e)、圖4(f)，為一次性斷裂的微觀形貌特征。用掃描電鏡對圖3(b)所見的磨損痕跡處進行觀察，SEM形貌見圖5(a)，磨損痕跡的輪廓清晰可見。放大觀察磨損處，可見表面存在異物覆蓋，可見與斷口大致平行的微裂紋，見圖5(b)～圖5(d)，局部可見腐蝕坑，見圖5(e)、圖5(f)。未磨損區域形貌見圖5(g)、圖5(h)，對比可知：該區域未見明顯異物覆蓋與腐蝕坑。閥桿表面的SEM形貌圖如圖5所示。

圖4 斷口SEM形貌

圖5 閥桿表面SEM形貌

圖5 閥桿表面SEM形貌（續）

截取磨損處的剖面金相試樣，經鑲嵌、磨拋后置于掃描電鏡內進行觀察，SEM形貌見圖6(a)，放大觀察，可見閥桿表面存在多個腐蝕坑，見圖6(b)、圖6(c)，并可見起源于腐蝕坑的與主裂紋大致平行的微裂紋，見圖6(d)。

圖6 剖面金相試樣SEM形貌

分別對圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)中標識的腐蝕產物進行能譜分析，結果見表3。可檢測到較高含量的硫S和氯Cl等腐蝕性元素，說明使用環境中存在這些元素。綜合斷口及其剖面金相試樣的SEM形貌分析與EDS能譜分析可知，斷裂閥桿斷口SEM形貌符合一次性脆性斷裂的微觀形貌特征，與宏觀分析結論一致；閥桿表面存在腐蝕坑，為斷裂起源。

表3 能譜分析結果（單位：wt%）

2.3 化學成分分析

從斷裂閥桿上取樣進行化學成分分析，化學成分實測值與GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中對25Cr2Mo1V的化學成分技術要求見表4。由分析結果可見：斷裂閥桿的化學成分實測值符合技術要求。

表4 化學成分分析結果（單位：%）

2.4 力學性能測試

從未斷裂閥桿上取拉伸試樣，在斷裂閥桿上取沖擊試樣進行試驗，力學性能實測值與GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中對25Cr2Mo1V的力學性能技術要求見表5，可見力學性能實測值符合技術要求。

表5 力學試驗結果

2.5 金相分析

斷口處的剖面金相試樣，經化學試劑侵蝕后置于金相顯微鏡下觀察，顯微組織見圖7。表面硬化層處組織為含氮索氏體＋脈狀組織，顯微組織見圖8(a)，心部顯微組織為回火索氏體，顯微組織見圖8(b)。由圖7可見，靠近斷口處的表面滲氮層顏色較淺，遠離斷口處的滲氮層顏色較深，見圖7中標識所示。

圖7 金相顯微組織

圖8 金相顯微組織

2.6 氮化層測試

斷口處的剖面金相試樣經磨拋后置于顯微硬度計上，采用2.907 N試驗力測試斷裂閥桿心部顯微硬度，結果為256 HV0.3、258 HV0.3、262 HV0.3，平均值為259 HV0.3。采用2.907 N試驗力分別檢測斷裂閥桿斷裂位置附近與遠離斷口處的氮化層深度，根據GB/T 11354—2005標準，極限硬度為從試樣表面沿垂直方向測至比基體高50 HV的位置，即309 HV 0.3，測試結果見表6。由結果可見，斷裂位置附近與遠離斷口處的氮化層深度無明顯差異，距表面0.1 mm處的硬度無明顯差異。

表6 滲氮深度測試結果（HV0.3）

3 結論

通過化學成分分析可知，斷裂閥桿化學成分實測值符合相關的技術要求。通過力學性能測試可知，斷裂閥桿力學性能實測值符合相關的技術要求；通過斷口的宏觀分析可知，閥桿的斷口宏觀形貌具有外力作用下一次性脆性斷裂的宏觀形貌特征；通過斷口的SEM形貌分析可知，斷口的微觀形貌具有外力作用下一次性脆性斷裂的形貌特征，與宏觀觀察結果相符；通過閥桿表面與剖面金相試樣的SEM形貌分析與EDS能譜分析可知，閥桿表面存在腐蝕坑，并可見起源于腐蝕坑的與主裂紋大致平行的微裂紋，說明斷裂起源于腐蝕坑。腐蝕產物中可檢測到硫（S）和氯（Cl）等腐蝕性說明閥桿使用環境中存在這些腐蝕性介質。

綜上所述，斷裂閥桿閥桿斷裂性質為外力作用下的一次性脆性斷裂，斷裂起源于閥桿表面的腐蝕坑處。根據使用情況，設備工作1.5天后方可進行拆檢，若閥桿在電機發生異常后馬上斷裂，那么設備會立即停止運轉，并且斷口會在高溫蒸汽環境與腐蝕性介質的共同作用下發生氧化腐蝕。而從斷口的宏觀與微觀分析來看，斷面較為潔凈，呈亮金屬色，整體未見異物覆蓋，說明斷口沒有受到氧化腐蝕，分析認為是在停機后拆機檢測時才發生的一次性脆性斷裂。