火電機組閥門用410閥桿失效分析

程 志,檀 婷,羅汝凱,馬 力,李樂宇,鄧志偉,彭文屹*,閻 軍,龔 毅,劉華偉

(1. 南昌大學物理與材料學院,330031,南昌;2. 上海融諾實業有限公司,201612,上海;3. 江西德普礦山設備有限公司,334604,江西,上饒)

0 引言

在火電機組項目中,閥門是非常重要的核心設備。各種不同結構的閥門應用到機組的給水系統、主蒸汽再熱系統和輔機系統設備中。閥門的主要作用是控制管道中主蒸汽的流向、流通面積,從而控制汽輪機和發電機的運行效率[1]。閥桿零件常常處于高溫高壓的工作環境,承受的載荷也較大。閥桿的失效會直接導致閥門無法正常工作,情況嚴重時,還可能導致機組非正常停機,造成的經濟損失和安全事故不能忽視。因此,針對閥桿零件開展失效分析研究對保障機組的供電效率和供電安全具有非常重要的作用[2]。

當閥桿發生失效時,一般對失效閥桿的使用工況和服役歷史進行現場調查并記錄事故現場的詳細情況。首先,將失效的閥桿拆解清洗保存,并進行宏觀觀測。先使用有限元軟件對失效閥桿的結構應力做模擬分析,通過模擬零件的結構和應力分布,分析閥桿材質、選型、結構設計和應力分布是否能夠滿足使用工況的要求[3]。再通過理化檢測對閥桿進行成分檢測、組織結構和力學性能檢測,判斷閥桿材料的成分和性能是否滿足設計要求。最后,綜合模擬分析和檢測結果判斷失效的原因,并提出相應的改進意見[4]。

本文采用有限元模擬和理化檢測的方法,針對火電機組主蒸汽閥用410不銹鋼閥桿的斷裂進行失效分析,并提出改進措施,為該零件的設計與使用提供建議。

1 失效閥桿的分析方法

1.1 有限元模擬分析

對已失效的410閥桿做有限元模擬分析,可計算出應力、應變的分布情況,分析閥桿是否由于材料強度或外部載荷過大等原因導致的失效。并為失效分析研究提供數據支持,進一步指導閥桿的設計和使用維護[5]。

1.2 理化檢測試樣制備和檢測

1.2.1 試樣制備及顯微組織觀察 使用切割機將閥桿沿著垂直閥桿斷口5 mm處切下,切割完成后,將試樣表面清洗干凈。首先,用洗滌劑和水清洗,清洗后用乙醇進行去污處理,以確保試樣表面沒有油污和灰塵等雜質。最后,使用70%乙醇和30%硝酸混合溶液進行腐蝕處理,流水沖洗并吹干后再對試樣采用JEOL JSM-6390A掃描電子顯微鏡進行檢測,觀察試樣的晶粒、組織結構和缺陷的情況。

1.2.2 化學成分分析方法 從斷裂閥桿直段上距離斷口20 mm處,依據GB/T 222—2006和GB/T 223.3—1988標準對閥桿使用Z—2000型化學成分分析儀對其化學成分進行分析。

1.2.3 力學性能測試方法 根據《GB/T228—2002金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》對閥桿進行拉伸試驗。從閥桿外表面到中心位置沿閥桿軸向取3個試樣進行測試。測試儀器為AG-XPLUS型萬能試驗機,拉伸速率為5 mm/min。

2 閥桿失效分析

2.1 失效閥桿的基本情況

某電廠1×1 000 MW超超臨界機組使用的主蒸汽閥門為某進口品牌的DN150 mm楔形雙閘板閘閥,工作介質是過熱蒸汽和水,工作壓力為30.34 MPa,工作溫度372 ℃,閥桿材料為美標ASTM 410馬氏體不銹鋼(與國標牌號的1Cr13不銹鋼相當)。該閘閥在運行3年后一次檢修過程中發現負荷異常,對該閘閥解體維修后發現閥桿螺紋底部和退刀槽連接部位發生斷裂,閥桿斷裂處無明顯的塑性變形(圖1)。

由于該主蒸汽閘閥采用的是楔形閘板結構,使得開閥時需要比關閥時提供更大的扭矩才能將閘板提升。針對這種情況,一般在設定電動執行器時,將電動執行機構的開閥扭矩和關閥扭矩進行分開設置,開閥扭矩比關閥扭矩設定值大30%左右,以保證閥門能夠正常開啟[6]。如果閥門電動執行器的關閉扭矩和轉速設置過大,容易導致閘板和閥座的楔形表面發生卡澀,在閥門打開時需要執行機構提供額外的扭矩。另外,過大的扭矩還會導致閥桿變形或斷裂。

2.2 有限元分析(FEA)

該失效閘閥的執行機構設定扭矩值為70 Ft-lbs并通過減速比為6：1的減速箱給閥桿提供420 Ft-lbs的扭矩。所以,在進行有限元模擬分析時先對閥桿下端凸臺施加固定約束,上端螺紋處施加420 Ft-lbs扭矩值。定義閥桿材質后對其進行網格劃分[7]。

材質、約束條件和載荷設置好之后運行計算,運行的結果分別以應力值和應變量顯示,得到的閥桿應力和應變分布圖,如圖2所示。閥桿零件的最大應力(Von Mises)值為56.82 MPa,最大應變(ESTRN)值為0.251 mm。最大應力和應變區域均為閥桿螺紋底部退刀槽處。

經過上述有限元分析結果得出:當閥桿處于正常工作狀態時,閥桿螺紋底部退刀槽處為閥桿結構應力集中區域,閥桿最大應力和最大應變均發生在該部位。正常工作狀態下閥桿最大應力約為56.8 MPa,遠小于閥桿材料許用應力164 MPa。有限元模擬分析結果表明閥桿在正常運行狀態下應力遠小于材料的許用應力。

但是,如果遇到閥門卡澀或者電動執行機構設置不當時,執行器的最大輸出扭矩可以達到180 Ft-lbs,此時閥桿上端螺紋的傳動扭矩值將增大至原來的3倍左右,即1080 Ft-lbs。重新用Simulation對閥桿零件進行應力模擬后得出:閥桿退刀槽處的應力值約為172 MPa。該值已經超過標準規定的閥桿最大許用應力164 MPa,非常接近閥桿材料的屈服強度(應力應變分布如圖3所示)。

電動閘閥在運行過程中由電動執行機構向閥桿施加扭矩,如果電動執行機構的扭矩設置不當使得閥桿所受的扭矩超出了其承載能力就會導致斷裂。本次斷裂失效的410閥桿的最大承載應力在閥桿螺紋底部退刀槽處,如果將電動執行器的扭矩設置到最大值180 Ft-lbs時,閥桿退刀槽位置所受的應力值已經超出標準規定的許用應力。在突然打開或關閉閥門時會引起閥桿受到沖擊載荷,特別是在高速流體流動的狀態下,這種沖擊負荷可能使閥桿產生過載斷裂[8]。

2.3 斷口處化學成分分析

從斷裂閥桿直段上距離斷口20 mm處,采用MAX 07-F型直讀光譜儀對閥桿化學成分進行分析。閥桿材料化學成分實測結果見表1,材料各元素的含量均滿足ASTM A182標準的要求。

表1 閥桿零件斷口化學成分(wt%)

2.4 斷口微觀形貌分析

采用JEOL JSM-6390A型掃描電子顯微鏡對切割后的閥桿斷口進行觀察,如圖4所示。

圖4 斷口形貌SEM圖

對閥桿斷口部位進行掃描電子顯微觀測可以發現,斷口屬于解理斷裂特征的層片狀形貌和臺階狀花樣。斷口是材料受應力作用沿著晶界表面發生分離,裂紋擴展速度快,塑性變形小[9]。證實了前面關于此次斷裂是由于應力過大而導致的脆性斷裂的猜測。

2.5 材料的機械力學性能測試

根據《GB/T228—2002金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》對閥桿進行拉伸試驗。從閥桿外表面到中心位置沿閥桿軸向取3個試樣進行測試[10],測試的結果見表2。測試結果表明該零件的屈服和抗拉強度、硬度、伸長率和斷面收縮率都滿足標準ASTM A276的要求。

表2 閥桿零件的機械性能測試結果

3 分析失效原因及改進措施

3.1 判斷閥桿失效的原因

首先,對失效的410閥桿外觀進行觀察后發現,該閥桿斷口處無明顯的塑性變形,初步判斷閥桿可能是因承受的應力過大而發生的過載斷裂。對閥桿進行化學成分分析和性能測試的結果表明材料成分符合標準要求。再對閥桿零件進行微觀形貌觀測后發現,閥桿斷口處并沒有明顯的缺陷,斷口處呈現層片狀的形貌和臺階花樣,閥桿的斷裂形式為脆性斷裂。通過模擬執行器設置錯誤時閥桿的應力分布可以發現,閥桿承受的應力已超出了標準規定的許用應力值,且該值非常接近材料的屈服強度。因此,判斷該410閥桿斷裂失效是在執行機構錯誤設置和閥桿退刀槽應力集中兩方面的綜合作用下導致的。

此類零部件的失效應從對電廠操作人員的培訓和改善閥桿零件的結構入手,從結構上減少應力集中部位對零件性能的影響,提高閥桿材料的強度和表面硬度。另外,對于電廠的運行人員進行操作指導,根據每個閥門不同的結構特點合理地設置和使用,防止因誤操作或不當使用造成閥門零部件的損壞[11]。

3.2 改進方法

閥桿零件因設計尺寸和零件配合的要求,往往需要一些過渡截面、溝槽和圓角等結構,但在滿足零件結構尺寸的前提下,可通過改善結構布局來降低上述部位的應力集中情況[12]。將閥桿軸退刀槽的形狀由直角過渡改為“U”型過渡,退刀槽形狀修改前后的結構,如圖5所示。

(a)原形態 (b)改進后形態圖5 退刀槽形狀修改前后示意圖

另外,閘閥閥桿屬于承載載荷較高的閥門零件,在傳動閘板時需不停地做往復運動,閥桿在運動過程中不可避免地與盤根接觸摩擦,與流體介質產生沖刷。常見的做法是通過對閥桿零件進行滲氮處理來進一步提高閥桿的強度和表面硬度,以提高閥門的使用性能延長使用壽命[13]。

3.3 閥桿表面滲氮處理后的硬度和耐磨性對比

用10 gf的載荷測量滲氮后閥桿試樣的橫截面顯微硬度,在氮化層表面的硬度值可以達到1 470 HV10gf。在深度5～10 μm處硬度值下降到1 360 HV10gf,該區域為膨脹馬氏體。在10～16 μm區域范圍內,由于膨脹馬氏體相中的氮含量減少,硬度值隨之下降。在深度25 μm以后,硬度逐漸接近回火馬氏體基體的硬度,硬度值約為420 HV10gf。

圖6(a)和(b)分別顯示了未處理的閥桿和氮化處理后的閥桿磨損痕跡。磨損表面的比較顯示了處理前和處理后的閥桿不同的磨損行為,未經過處理的閥桿表面受到了比較嚴重的磨損,且表面可以觀察到磨損的碎片和較為嚴重的劃痕和粘附物。

圖6(a)中可觀察到比較明顯的磨損溝槽和劃痕,并且磨損軌道內有比較明顯的塑性變形,屬于比較典型的犁頭磨損機制。圖6(b)可觀察到氮化后的閥桿表面產生了一個光滑的氧化層,磨損表面只是顯示出光滑的表面和輕微的磨料磨損[14]。未經過氮化處理的試樣的磨痕寬度為0.55 mm,大約為處理后試樣的2倍。氮化試樣的磨損重量損失也較小,約為未氮化處理試樣的3%左右。氮化試樣的摩擦系數為0.65,而未氮化處理的試樣的摩擦系數約為0.8。氮化試樣的摩擦系數非常穩定,而未經過處理的試樣的摩擦系數在磨損過程中會逐漸增加。因此,氮化處理可改善410不銹鋼表面的磨損性能[15]。

4 結論

失效410閥桿的組織成分和性能可滿足使用要求,斷裂是由于電動執行機構設置不合理和應力集中導致的,該失效應從正確設置閥門電動執行機構入手,改善閥桿退刀槽處結構避免應力集中現象。另外,對比410閥桿滲氮前后的硬度和耐磨性可發現:滲氮后的閥桿表面層可獲得硬度和化學穩定性更高的氮化層,滲氮工藝可明顯提高410閥桿的表面硬度和耐磨性,從而增強火電機組閥門設備的壽命和使用安全性。