汽輪機調節閥閥桿斷裂的原因分析

孫強，陳國星，付鑫，朱利榮，沈建峰，陳金泉

（1.浙江秀舟熱電有限公司，浙江 嘉興 314007；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 研究背景

現代電廠汽輪發電機組的任務是供給電力用戶一定數量的電能，且根據電力用戶的需要能及時地改變所發出的功率。調節汽輪機的功率，主要通過改變進入汽輪機的蒸汽流量來實現。調節閥作用是按照控制單元的指令來調節進入汽輪機的蒸汽流量大小，以使機組受控參數（功率或轉速、進汽壓力、背壓等）符合運行要求。由于機組的長期運行,會引起閥桿的損傷、變形、甚至斷裂等問題。

某電廠機組調節閥由閥桿、閥梁、閥碟及閥座組成，閥梁的提升由2根閥桿帶動，閥桿密封由套簡間柔性石墨圈材料進行密封。設計進汽溫度：535℃，進汽壓力：9.2MPa，最大進汽量為140t/h，負荷為15MW。某天設備正常運行過程中，在沒有任何操作的前提下，工作人員發現進汽量驟減50%左右，操作后進汽量仍無明顯波動，緊急停機后檢修人員檢查發現一側進汽調節閥閥桿斷裂。閥桿斷裂是汽輪機最嚴重的故障之一，因此，對調節汽閥斷裂原因進行研究,對提高背壓發電機組的安全運行具有十分重要的意義。

本文以斷裂的調節閥閥桿為研究對象,對閥桿斷裂部位的宏觀形貌和結構特征進行了研究分析,并在閥桿斷口部位進行了一系列表征，主要包括金相組織、微觀硬度分布、能譜分析等手段，同時，結合閥桿自身的服役環境及背景來綜合討論該閥桿的失效原因，旨在為該類閥桿在以后的設計、加工和使用過程中降低其發生斷裂的概率。

2 樣品制備及表征

2.1 試樣材料

調節閥閥桿的材質為2Cr12MoV，運行一段時間后，閥桿發生斷裂，對斷口區域進行取樣分析，選取的區域利用線切割經行截取，截取試樣片經行鑲嵌，方便進行組織觀察。

2.2 測試方法

對取樣試樣進行鑲嵌，然后按照400/800/1200#砂紙順序研磨、拋光，再采用4%硝酸酒精腐蝕10s，超聲清洗吹干后，最后利用ZEISS金相顯微鏡觀察試樣金相組織；采用電火花成分檢測儀檢測閥桿成分；采用QNESS顯微維氏硬度計進行硬度測試，載荷選擇0.3kg，保載15s；采用SANS萬能試樣拉伸機對試棒進行拉伸實驗，拉伸速率為0.5mm/min；采用掃描電鏡觀察斷口形貌，并采用自帶的能譜分析儀對閥桿成分進行檢測，探究閥桿斷裂原因。

3 結果與討論

3.1 斷口形貌分析

圖1 顯示了閥桿斷裂處的宏觀形貌，可以看出，整個斷面呈圓臺狀分布，斷口處有著明顯的劃痕，應該是閥桿受力不均所導致的?？赡苁菙嗔亚笆艿阶矒舻挠绊懀吘壧幊霈F了極深的凹槽，其有效厚度最薄，應該是整根閥桿受力最惡劣的區域，且整個斷面較為平整，無明顯變形，因此，判斷閥桿應為脆性斷裂。

如圖2所示，是用掃描電子顯微鏡（SEM）對斷口處拍攝的微觀圖像。從圖中可以看出，閥桿的斷口已經遭到破壞，表面呈現出高低起伏不平的凹凸質感，并伴有少許粒徑不均的粉末狀顆粒，似乎是表面生成了大量的氧化物，為了進一步確定成分，利用掃描電鏡自帶的能譜分析儀對其進行檢測，如圖3所示，從圖中可以看出，粉末中含有豐富的氧元素，這應該與閥桿所處的工作環境有關。

圖2 閥桿斷口的微觀形貌

圖3 斷口處的能譜分析

3.2 閥桿成分檢測

通過查詢廠家提供的汽輪機設計圖紙，確定該閥桿材質為2Cr12MoV，為馬氏體不銹鋼，執行標準為GB/T 1221-1992，該材質主要用于汽輪機葉片、盤、葉輪軸、螺栓等領域，建議服役環境溫度不超過540℃。表1顯示了閥桿材質的成分及含量，鑒于能譜分析儀的局限性，為了保證數據的精準度，本文對試樣進行了電火花成分檢測，以便驗證其中輕元素以及微合金元素的含量。從表中可以看出，各成分含量均在合理的區間內，表明閥桿材質滿足2Cr12MoV的執行標準。

表1 閥桿材質的成分及含量

3.3 金相組織觀察

為了更加清晰地認知閥桿斷裂的內在原因，本文從斷裂處選取不同的位置進行制備試樣，觀察閥桿斷裂處的金相組織。如圖4所示，可以看出，閥桿的金相組織為馬氏體組織，這與2Cr12MoV馬氏體不銹鋼材質是一致的。但是，組織中晶粒較大，且存在較為明顯的帶狀缺陷結構，通常這種帶狀缺陷結構的產生與金屬的熱處理工藝有關，馬氏體不銹鋼的熱處理標準涉及退火、淬火、及回火三個步驟，任何環節的溫度掌控不到位都會對材質本體造成負面影響。此外，馬氏體組織中含有少量的殘余奧氏體，這些殘余奧氏體會降低材料的強度等性能。

圖4 閥桿的金相組織

3.4 硬度測試

除了對樣品的成分以及金相組織檢測外，本文還對閥桿的力學性能也進了測試，如圖5所示，為閥桿的微觀硬度。硬度是指材料局部抵抗硬物壓入或刺入其表面的能力，通常以材料表面局部塑性變形的大小來比較被測材料的軟硬。圖5顯示了樣品橫向及縱向的微觀硬度數據，可以看出，兩個部位的數據相差不大，大約都在270～306HV，標準為GB/T 1221-1992標準可知，2Cr12MoV的硬度不大于321HB，換算成維氏硬度不大于330HV左右。由此，從硬度檢測結果來看，閥桿的硬度基本滿足需求。

圖5 閥桿樣品的微觀硬度

3.5 拉伸性能測試

將閥桿制作成Φ10mm的圓棒拉伸試樣，為確保實驗的準確性，進行兩組實驗，從表2中可以看出，閥桿的抗拉強度和屈服強度均低于標準值，這說明材料的強度降低，抵抗外力的能力較差，在工作載荷下，更容易發生斷裂。并且部件本身如果存在有缺陷，如有尖角、劃痕、內部夾渣等，在工作應力作用下產生裂紋源，隨著交替變化的應力作用，裂紋源逐漸會發展為微小裂紋，裂紋不斷擴展，直至斷開。

表2 閥桿的拉伸性能

4 結語

閥桿斷裂是汽輪機最嚴重的故障之一，對其斷裂原因進行研究，對提高機組的安全運行具有十分重要的意義。本文采用形貌分析、成分檢測、金相組織觀察、硬度測試、強度測試等表征手段，對閥桿斷裂的原因進行分析，可以得出以下結論：

（1）閥桿的材質成分、硬度滿足標準要求。

（2）樣品的斷口較為平整，無明顯變形，判斷為脆性斷裂。

（3）斷裂閥桿的金相組織為馬氏體，雖然材質成分滿足要求，但組織中晶粒較大，存在較明顯的帶狀異常結構，且含有少量的殘余奧氏體，這些缺陷組織會降低閥桿的強度。

（4）閥桿的拉伸性能均低于標準值，說明材料抵抗外力的能力較差，在工作載荷下更容易發生斷裂。

（5）2Cr12MoV建議使用溫度不超過540℃，而閥桿實際運行溫度為535℃，屬于臨界溫度，所以，這在一定程度上也會影響材料的力學性能。