摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、力学性能测试、硬度测试等方法对某300 MW 汽轮机主汽门门杆断裂原因进行了研究。结果表明:该门杆存在变截面结构、应力相对集中、内部 存在夹杂物、材料硬度偏低等问题;在交变应力作用下,门杆受到很大的冲击力,超过其临界断裂强 度,最终发生脆性断裂。
关键词:主汽门门杆;应力集中;夹杂物;交变应力;脆性断裂
【资料图】
中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0032-04
汽轮机高压主汽门是用于快速切断汽轮机进 汽、停机的保护装置,是防止汽轮机超速的关键保护 装置。近年 来,高 压 主 汽 门 门 杆 断 裂 事 故 经 常 发 生[1],门杆断裂的原因也多种多样,如材料错用[2]、 杆表面磨削加工时存在残余应力、排孔壁处渗氮层 应力集中、杆根部存在机械加工尖角、杆根部受低频 振动的影响等。门杆断裂会引起汽轮机超速,并带 来一系列安全事故和经济损失,因而需要对主汽门 门杆断裂原因进行深入研究。
某电厂2号机组300 MW 汽轮机设备是亚临 界、中间再热、高中压合缸单轴、双缸双排汽、凝汽式 汽轮机。汽轮机两侧各有 1 个高压主汽门(TV)、 3个高压调节汽门(GV),新蒸汽首先通过高压主汽 门,再流到高压调节汽门,最后进入高压缸做功,通 过外缸下面的两个排汽口流到再热器。在汽轮机运 行过程中,发现其主汽门漏气,经检查后发现该主汽 门没有全开。将主汽门门杆拆卸后,发现门杆断开, 门杆材料为2Cr12NiMo1W1V 钢。
1 理化检验
1.1 宏观观察
对该主汽门结构及断裂情况进行检查,主汽门 门杆断口宏观形貌如图1所示,断裂部位如图2所 示。该高压主汽门为“双重阀碟”结构,由两个单座 的不平衡阀组成,一个阀安装在另一个阀的内部。 阀处于关闭位置时,蒸汽的进汽压力与压缩弹簧的 作用力将每一个阀门紧紧地关闭在阀座上,阀碟与 头颈导向部分的设计间隙较小,行程为 15.5mm, 门杆直径为36mm。
从断裂部位可以看出:门杆断裂于变径处,该部 位是典型的应力集中部位,是门杆最为脆弱的部位。 从门杆断口的宏观形貌可见:断裂面呈粗糙颗粒状, 断裂面宽约9mm,断面无明显塑性变形,无塑性断 裂韧窝,呈现典型的脆性断裂特征,符合马氏体的断 口特征。断面无明显疲劳源和贝纹线,但由于该断 面存在磨损损伤的痕迹,因此不能判断是否存在疲 劳。从另一断口位置看,大直径处断口边缘较锋利, 小直径处断口边缘较钝,推断断裂是从小直径处先 发生的。从断口局部放大形貌可见:断面整体呈圆 台侧边状,表明该断裂是沿着大、小直径之间的连接 面扩展的,连接面的有效厚度最薄,同等条件下,该 连接面处裂纹扩展最为迅速。小直径处断裂面一圈 较为光亮,而大直径处断裂面的断口呈高低不平状, 从大直径向小直径方向约1/4处,断面逐渐呈平滑 状,从而可推断出该裂纹扩展是从小直径处向大直 径处发生的单向扩展行为,断口表面存在明显的氧 化和磨损痕迹。小直径断面处最外边缘一圈较为光 亮,存在加工退刀槽,退刀槽会增加缺口的敏感性, 该区域为可能的裂纹起源位置。从宏观分析上可初 步推断该门杆断裂是典型的脆性断裂,无明显的疲 劳迹象,断裂的原因与门杆的瞬时应力状态有关。
1.2 化学成分分析
门杆材料为2Cr12NiMo1W1V 马氏体不锈钢, 根据 GB/T8732—2014《汽轮机叶片用钢》的规定, 该门杆一般加热至980~1040 ℃,保温后油淬,并 在650~750 ℃进行回火处理。其中 Cr,W,Mo元 素的含量略高,缺口敏感性小,具有良好的减震性和抗松弛性,综合性能较好。同时,为了提高门杆的耐 磨性能和整体抗疲劳性能,在对门杆表面进行热处 理时,需增加表层渗氮处理工艺,渗氮层深度一般为 0.3~0.5 mm。对主汽门门杆断裂附近部位(编号 1)及断裂两侧杆部位(编号2,3)的表面进行磨光, 并清理干净,使用便携式全定量直读光谱仪进行化 学成分分析,结果如表1所示。由表1可以看出:该 门杆 整 体 的 化 学 成 分 符 合 GB/T8732—2014 对 2Cr12NiMo1W1V 钢的要求。
1.3 金相检验
对门杆断 口 处 进 行 金 相 检 验,在 该 门 杆 端 部 截取试 样,镶 嵌 后 经 240 # ,320 # ,500 # 砂 纸 进 行 磨制处理,随后抛光,之后使用盐酸三氯化铁水溶 液腐蚀,在 光 学 显 微 镜 下 观 察,结 果 如 图 3 所 示。 由图3a),3b)可知,该门杆的边缘及心部组织存在 大量的夹杂物,在同等面积下,心部组织中夹杂物 的数量较边缘部位多,夹杂物尺寸较边缘部位大。 由图 3c)可 知,边 缘 部 位 表 层 存 在 氧 化 层,厚 约 30μm,氧化层下即为渗氮层,显 微 组 织 为 含 氮 的 索 氏 体 组 织,外 侧 表 面 的 氮 化 层 厚 度 为 0.49~0.51mm,符合渗氮处理后渗氮层厚度要求 (0.3~0.5mm)。渗氮层会降低表层材料的韧性, 渗氮层下方 为 板 条 状 马 氏 体 组 织,组 织 中 有 大 量 的金属及非金属夹杂物。由图3d),3f)可以看出, 心部为板条状马氏体组织,晶粒度评级为4级,组 织中含有大量的夹杂物(黑色物质)。
1.4 扫描电镜和能谱分析
将腐蚀后的试样放置在扫描电镜(SEM)下观 察,结果如图4所示,对其夹杂物进行能谱分析,结 果如图5~7所示。在图4中可以清晰看出金属及 非金属夹杂物(孔洞为夹杂物被腐蚀后留下的,白色 物质为氧化物夹杂物,黑色物质为金属夹杂物)。
对表层渗氮层组织界面进行能谱分析,表层1 距离表面约0.15mm,表层2距离表面约0.35mm,其分析位置及能谱图如图6,7所示。由图6,7可以 看出:该门杆进行过渗氮处理,表层渗氮层厚度约为 0.5mm。由能谱分析结果可知:越是靠近表层,含 氮量越高,渗氮量随着渗氮层深度的增加而减少。
1.5 硬度测试及力学性能测试
采用布氏硬度计分别对边缘组织(不包括渗氮 层)和心部组织进行硬度测试,为减少表面粗糙度对 试验结果的影响,在试样表面进行测试,结果如表2 所示。由表2可知:试样表层及中心部位的硬度分 别为265.1HB和251.4HB,均比标准值的下限小 10HB,其心部组织的硬度比边缘部位小约10HB。
沿门杆纵向截取拉伸试样和冲击试样,对其进 行力学性能测试,共测试3次,结果如表2所示。由 表2可知:该断裂门杆的抗拉强度为913.7MPa,低 于标准下 限 值,断 后 伸 长 率 及 冲 击 吸 收 能 量 符 合 GB/T8732—2014的要求,但均接近标准下限值。
2 综合分析
该门杆断裂是与多方面因素有关的[3],综合以 上试验结果分析,门杆断裂的原因主要有以下几点: ① 从门杆结构来看,断裂位置为凸台变截面位置, 变截面结构一方面会引起应力的高度集中,另一方 面会缩小承载面积,单位面积承载的强度增大,同时 该处的应力相对集中,断裂倾向比其他部位高很多; ② 受门杆同轴度、紊流等因素的影响,门杆在运行过 程中会出现偏斜现象,使得门杆处于交变应力的环境 中;③ 断杆小直径处(中心部位)存在加工退刀槽,其 增加了该处缺口的敏感性,更容易产生裂纹;④ 主汽 门在运行过程中,门杆会受到较大的、瞬时的冲击力, 使得门杆薄弱部位易发生断裂;⑤ 阀碟与头颈导向 部分的设计间隙较小,表面产生的氧化物脱落导致间 隙堵塞,使门杆受力过大;⑥ 门杆长期服役后,材料 的力学性能下降,当材料力学性能低于标准要求时, 容易发生断裂;⑦ 材料的基体为板条马氏体组织,且存在大量的夹杂物,材料本身存在较大的组织应力和 热应力;⑧ 该断裂门杆材料呈现出明显的软化现象, 其硬度及抗拉强度均低于标准值。
3 结语
该主汽门门杆存在变截面结构,且应力相对集 中,承载面积小,材料内部存在大量的夹杂物,中心 部位夹杂物数量较边缘部位(大直径处)多,组织应 力与热应力较大,材料的硬度低于标准值,中心部位 的硬度更低,长期服役后材料的力学性能出现下降, 导致其抗拉强度不够;门杆在运行过程中受同轴度 及紊流的影响,受到一定的交变应力,同时受间隙和 异物堵塞的影响,门杆易出现受力过大现象;主汽门 运行时,在交变的应力环境中,当门杆受到的冲击力 超过材料的临界断裂强度时,门杆在小直径处先出 现裂纹,随后向大直径处扩展,最终发生脆性断裂。
参考文献:
[1] 苏利辉.600MW 汽轮机主机汽门门杆断裂原因分析 [J].科学技术创新,2017(27):4-5.
[2] 王志武,费勤楠,梅伟,等.300 MW 汽轮机高压主汽 阀阀杆断裂原因分析[J].金属热处理,2011,36(8): 21-24.
[3] 张涛,田峰,陈 浩,等.超 临 界 汽 轮 机 中 压 调 速 汽 阀 2Cr12NiMo1W1V 钢阀杆断裂原因分析[J].理 化 检 验(物理分册),2015,51(4):278-282,289.
<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 8期 (pp:32-35)>
