某電廠高壓調節汽門消音器開裂失效原因分析

姬盧東 文 森 徐 科 徐 柱 肖調兵

（1. 中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223；2. 中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

本次失效部件為一高壓調節汽門的消音器，在日常運行過程中該設備有異常聲響存在，大修期間解體檢修后發現調節汽門底部的消音器部件表面一圈存在不同程度的裂紋，共計18條，個別裂紋已貫穿消音器本體。消應器制造標準為B/HJ 403-2006《一般合金鋼鍛件訂貨技術條件》，其設計材質為30Cr1Mo1V，運行介質為水蒸氣，進汽溫度約279oC，壓力約6.4MPa，日常運行期間通過調節開度來實現不同的進氣量，汽體通過消音器底部小孔進入閥座內部，消音器本身會受到一定載荷并伴隨振動。

1 理化試驗

1.1 宏觀形貌

對消音器整體及斷口截面進行宏觀形貌觀察，結果如圖1所示。開裂消音器為高壓調節汽門底部的內部件，表面開有許多小孔，蒸汽通過小圓孔進入閥座。消音器一圈共存在18條線性裂紋，其中有4條裂紋已貫穿消音器基體，表面未發現明顯的蒸汽沖蝕及腐蝕特征。觀察裂紋發現靠近內圈的寬度較大，往外圈延伸寬度變小，說明裂紋是由內圈向外圈擴展，將裂紋打開后觀察其截面形貌，斷口表面由于暴露在高溫蒸汽中已存在一定氧化痕跡，截面呈波紋狀，初步判斷為疲勞斷裂。

1.2 化學成分

對消音器裂紋附近的基體進行化學成分分析，結果如表1所示。消聲器基材的Al含量高于BH/J403-2006《一般合金鋼鍛件訂貨技術條件》對30Cr1Mo1V鋼要求的上限值，其余元素的含量均在廠家技術條件對30Cr1Mo1V鋼要求的成分范圍內。Al元素會降低材料的高溫強度和韌性，一定程度上會降低材料的抗疲勞性能[1-3]。

表1 消音器基體成分分析結果（wt.%）

1.3 微觀組織

在消聲器裂紋附近取樣進行金相組織檢驗，結果如圖2所示。基體金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，為30Cr1Mo1V經過回火后的組織，各區域組織較為均勻，組織未見明顯異常；裂紋較為平直，為穿晶型開裂，裂紋內有明顯的氧化特征。

圖2 消音器基體微觀組織

1.4 拉伸性能

消音器基體的室溫拉伸性能檢驗結果如表2所示。對比BH/J 403-2006《一般合金鋼鍛件訂貨技術條件》中30Cr1Mo1V（強度等級690）的要求，本次檢測的消音器基材抗拉強度為933MPa，屈服強度為781MPa，斷后伸長率為18.5%，斷面收縮率為61%，對比標準中的設計值可以看出該消音器基材的拉伸性能符合標準設計要求。

表2 消音器基體拉伸測試結果

1.5 微觀形貌

裂紋斷口截面的微觀形貌如圖3所示。將裂紋打開沿著裂紋的反方向查找裂紋源，由于消音器的運行介質為高溫蒸汽且裂紋源是最先暴露在蒸汽介質中，所以該區域已被嚴重氧化腐蝕，其表面被腐蝕產物覆蓋，腐蝕產物較厚，斷裂形貌特征已無法觀察。觀察斷口的其他區域，在斷口的局部區域觀察到典型的疲勞弧線形貌，將疲勞弧線區域繼續放大可看見疲勞條紋，說明消音器的失效是由疲勞開裂所致。

圖3 斷口截面微觀形貌

2 失效原因分析

本次失效設備為汽輪機進汽管線高壓調節汽門的消音器，日常運行是該設備存在異常聲音，解體檢修后發現該閥門的消音器上存在不同程度的裂紋。通過對消音器基材的理化檢驗發現消音器一圈共存在18條裂紋，根據裂紋寬度判斷裂紋起源于內圈表面并往外圈擴展，其中有4條裂紋已貫穿消音器基體，化學成分結果顯示基材的Al含量超出標準范圍，其余元素均在要求范圍內。材料微觀組織為回火索氏體+少量鐵素體，組織未見明顯異常，裂紋為穿晶型開裂，且內部存在氧化特征，材料的拉伸性能符合標準要求，斷口微觀形貌氧化痕跡較為嚴重，但在局部區域觀察到了疲勞條紋，說明消音器的失效是由疲勞開裂所導致。

通過理化檢驗確定了高壓調節汽門消音器的失效是疲勞開裂所致，調查現場工況可知該閥門主要作用是控制汽輪機的進汽量，底部的消音器存在許多小孔，蒸汽在小孔中消耗大量動能，以小股汽流進入閥座，從而能有效抑制調節閥的噪音和振動，所以消音器由于進汽量的變化會受到一定的載荷同時伴隨著振動，經過長期的日常運行過程，最終消音器基體出現了疲勞裂紋[4-6]。此外消音器基材的Al元素含量為0.066，遠高于標準對30CraMo1V的限定范圍，Al元素含量超標會降低材料的高溫強度和韌性，從而降低材料的抗疲勞性能，加速了疲勞開裂的過程。

3 結語

綜上所述分析，高壓調節汽門消音器運行過程中由于進汽量變化而產生的載荷和振動，長期運行過程中產生了疲勞開裂，導致了異音的出現。振動疲勞開裂是消音器失效的主要原因，基體材質的不合格加速了其疲勞開裂的過程。