摘 要:采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試、硬度測(cè)試等方法對(duì)某300 MW 汽輪機(jī)主汽門門桿斷裂原因進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:該門桿存在變截面結(jié)構(gòu)、應(yīng)力相對(duì)集中、內(nèi)部 存在夾雜物、材料硬度偏低等問題;在交變應(yīng)力作用下,門桿受到很大的沖擊力,超過其臨界斷裂強(qiáng) 度,最終發(fā)生脆性斷裂。 

關(guān)鍵詞:主汽門門桿;應(yīng)力集中;夾雜物;交變應(yīng)力;脆性斷裂 

中圖分類號(hào):TG115.5                                                 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                  文章編號(hào):1001-4012(2022)08-0032-04 

汽輪機(jī)高壓主汽門是用于快速切斷汽輪機(jī)進(jìn) 汽、停機(jī)的保護(hù)裝置,是防止汽輪機(jī)超速的關(guān)鍵保護(hù) 裝置。近年 來,高 壓 主 汽 門 門 桿 斷 裂 事 故 經(jīng) 常 發(fā) 生[1],門桿斷裂的原因也多種多樣,如材料錯(cuò)用[2]、 桿表面磨削加工時(shí)存在殘余應(yīng)力、排孔壁處滲氮層 應(yīng)力集中、桿根部存在機(jī)械加工尖角、桿根部受低頻 振動(dòng)的影響等。門桿斷裂會(huì)引起汽輪機(jī)超速,并帶 來一系列安全事故和經(jīng)濟(jì)損失,因而需要對(duì)主汽門 門桿斷裂原因進(jìn)行深入研究。

某電廠2號(hào)機(jī)組300 MW 汽輪機(jī)設(shè)備是亞臨 界、中間再熱、高中壓合缸單軸、雙缸雙排汽、凝汽式 汽輪機(jī)。汽輪機(jī)兩側(cè)各有 1 個(gè)高壓主汽門(TV)、 3個(gè)高壓調(diào)節(jié)汽門(GV),新蒸汽首先通過高壓主汽 門,再流到高壓調(diào)節(jié)汽門,最后進(jìn)入高壓缸做功,通 過外缸下面的兩個(gè)排汽口流到再熱器。在汽輪機(jī)運(yùn) 行過程中,發(fā)現(xiàn)其主汽門漏氣,經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)該主汽 門沒有全開。將主汽門門桿拆卸后,發(fā)現(xiàn)門桿斷開, 門桿材料為2Cr12NiMo1W1V 鋼。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

對(duì)該主汽門結(jié)構(gòu)及斷裂情況進(jìn)行檢查,主汽門 門桿斷口宏觀形貌如圖1所示,斷裂部位如圖2所 示。該高壓主汽門為“雙重閥碟”結(jié)構(gòu),由兩個(gè)單座 的不平衡閥組成,一個(gè)閥安裝在另一個(gè)閥的內(nèi)部。 閥處于關(guān)閉位置時(shí),蒸汽的進(jìn)汽壓力與壓縮彈簧的 作用力將每一個(gè)閥門緊緊地關(guān)閉在閥座上,閥碟與 頭頸導(dǎo)向部分的設(shè)計(jì)間隙較小,行程為 15.5mm, 門桿直徑為36mm。 

從斷裂部位可以看出:門桿斷裂于變徑處,該部 位是典型的應(yīng)力集中部位,是門桿最為脆弱的部位。 從門桿斷口的宏觀形貌可見:斷裂面呈粗糙顆粒狀, 斷裂面寬約9mm,斷面無明顯塑性變形,無塑性斷 裂韌窩,呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征,符合馬氏體的斷 口特征。斷面無明顯疲勞源和貝紋線,但由于該斷 面存在磨損損傷的痕跡,因此不能判斷是否存在疲 勞。從另一斷口位置看,大直徑處斷口邊緣較鋒利, 小直徑處斷口邊緣較鈍,推斷斷裂是從小直徑處先 發(fā)生的。從斷口局部放大形貌可見:斷面整體呈圓 臺(tái)側(cè)邊狀,表明該斷裂是沿著大、小直徑之間的連接 面擴(kuò)展的,連接面的有效厚度最薄,同等條件下,該 連接面處裂紋擴(kuò)展最為迅速。小直徑處斷裂面一圈 較為光亮,而大直徑處斷裂面的斷口呈高低不平狀, 從大直徑向小直徑方向約1/4處,斷面逐漸呈平滑 狀,從而可推斷出該裂紋擴(kuò)展是從小直徑處向大直 徑處發(fā)生的單向擴(kuò)展行為,斷口表面存在明顯的氧 化和磨損痕跡。小直徑斷面處最外邊緣一圈較為光 亮,存在加工退刀槽,退刀槽會(huì)增加缺口的敏感性, 該區(qū)域?yàn)榭赡艿牧鸭y起源位置。從宏觀分析上可初 步推斷該門桿斷裂是典型的脆性斷裂,無明顯的疲 勞跡象,斷裂的原因與門桿的瞬時(shí)應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

1.2 化學(xué)成分分析

門桿材料為2Cr12NiMo1W1V 馬氏體不銹鋼, 根據(jù) GB/T8732—2014《汽輪機(jī)葉片用鋼》的規(guī)定, 該門桿一般加熱至980~1040 ℃,保溫后油淬,并 在650~750 ℃進(jìn)行回火處理。其中 Cr,W,Mo元 素的含量略高,缺口敏感性小,具有良好的減震性和抗松弛性,綜合性能較好。同時(shí),為了提高門桿的耐 磨性能和整體抗疲勞性能,在對(duì)門桿表面進(jìn)行熱處 理時(shí),需增加表層滲氮處理工藝,滲氮層深度一般為 0.3~0.5 mm。對(duì)主汽門門桿斷裂附近部位(編號(hào) 1)及斷裂兩側(cè)桿部位(編號(hào)2,3)的表面進(jìn)行磨光, 并清理干凈,使用便攜式全定量直讀光譜儀進(jìn)行化 學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可以看出:該 門桿 整 體 的 化 學(xué) 成 分 符 合 GB/T8732—2014 對(duì) 2Cr12NiMo1W1V 鋼的要求。

1.3 金相檢驗(yàn) 

對(duì)門桿斷 口 處 進(jìn) 行 金 相 檢 驗(yàn),在 該 門 桿 端 部 截取試 樣,鑲 嵌 后 經(jīng) 240 # ,320 # ,500 # 砂 紙 進(jìn) 行 磨制處理,隨后拋光,之后使用鹽酸三氯化鐵水溶 液腐蝕,在 光 學(xué) 顯 微 鏡 下 觀 察,結(jié) 果 如 圖 3 所 示。 由圖3a),3b)可知,該門桿的邊緣及心部組織存在 大量的夾雜物,在同等面積下,心部組織中夾雜物 的數(shù)量較邊緣部位多,夾雜物尺寸較邊緣部位大。 由圖 3c)可 知,邊 緣 部 位 表 層 存 在 氧 化 層,厚 約 30μm,氧化層下即為滲氮層,顯 微 組 織 為 含 氮 的 索 氏 體 組 織,外 側(cè) 表 面 的 氮 化 層 厚 度 為 0.49~0.51mm,符合滲氮處理后滲氮層厚度要求 (0.3~0.5mm)。滲氮層會(huì)降低表層材料的韌性, 滲氮層下方 為 板 條 狀 馬 氏 體 組 織,組 織 中 有 大 量 的金屬及非金屬夾雜物。由圖3d),3f)可以看出, 心部為板條狀馬氏體組織,晶粒度評(píng)級(jí)為4級(jí),組 織中含有大量的夾雜物(黑色物質(zhì))。

1.4 掃描電鏡和能譜分析 

將腐蝕后的試樣放置在掃描電鏡(SEM)下觀 察,結(jié)果如圖4所示,對(duì)其夾雜物進(jìn)行能譜分析,結(jié) 果如圖5~7所示。在圖4中可以清晰看出金屬及 非金屬夾雜物(孔洞為夾雜物被腐蝕后留下的,白色 物質(zhì)為氧化物夾雜物,黑色物質(zhì)為金屬夾雜物)。

對(duì)表層滲氮層組織界面進(jìn)行能譜分析,表層1 距離表面約0.15mm,表層2距離表面約0.35mm,其分析位置及能譜圖如圖6,7所示。由圖6,7可以 看出:該門桿進(jìn)行過滲氮處理,表層滲氮層厚度約為 0.5mm。由能譜分析結(jié)果可知:越是靠近表層,含 氮量越高,滲氮量隨著滲氮層深度的增加而減少。

1.5 硬度測(cè)試及力學(xué)性能測(cè)試 

采用布氏硬度計(jì)分別對(duì)邊緣組織(不包括滲氮 層)和心部組織進(jìn)行硬度測(cè)試,為減少表面粗糙度對(duì) 試驗(yàn)結(jié)果的影響,在試樣表面進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表2 所示。由表2可知:試樣表層及中心部位的硬度分 別為265.1HB和251.4HB,均比標(biāo)準(zhǔn)值的下限小 10HB,其心部組織的硬度比邊緣部位小約10HB。

沿門桿縱向截取拉伸試樣和沖擊試樣,對(duì)其進(jìn) 行力學(xué)性能測(cè)試,共測(cè)試3次,結(jié)果如表2所示。由 表2可知:該斷裂門桿的抗拉強(qiáng)度為913.7MPa,低 于標(biāo)準(zhǔn)下 限 值,斷 后 伸 長(zhǎng) 率 及 沖 擊 吸 收 能 量 符 合 GB/T8732—2014的要求,但均接近標(biāo)準(zhǔn)下限值。

2 綜合分析 

該門桿斷裂是與多方面因素有關(guān)的[3],綜合以 上試驗(yàn)結(jié)果分析,門桿斷裂的原因主要有以下幾點(diǎn): ① 從門桿結(jié)構(gòu)來看,斷裂位置為凸臺(tái)變截面位置, 變截面結(jié)構(gòu)一方面會(huì)引起應(yīng)力的高度集中,另一方 面會(huì)縮小承載面積,單位面積承載的強(qiáng)度增大,同時(shí) 該處的應(yīng)力相對(duì)集中,斷裂傾向比其他部位高很多; ② 受門桿同軸度、紊流等因素的影響,門桿在運(yùn)行過 程中會(huì)出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象,使得門桿處于交變應(yīng)力的環(huán)境 中;③ 斷桿小直徑處(中心部位)存在加工退刀槽,其 增加了該處缺口的敏感性,更容易產(chǎn)生裂紋;④ 主汽 門在運(yùn)行過程中,門桿會(huì)受到較大的、瞬時(shí)的沖擊力, 使得門桿薄弱部位易發(fā)生斷裂;⑤ 閥碟與頭頸導(dǎo)向 部分的設(shè)計(jì)間隙較小,表面產(chǎn)生的氧化物脫落導(dǎo)致間 隙堵塞,使門桿受力過大;⑥ 門桿長(zhǎng)期服役后,材料 的力學(xué)性能下降,當(dāng)材料力學(xué)性能低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí), 容易發(fā)生斷裂;⑦ 材料的基體為板條馬氏體組織,且存在大量的夾雜物,材料本身存在較大的組織應(yīng)力和 熱應(yīng)力;⑧ 該斷裂門桿材料呈現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象, 其硬度及抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

3 結(jié)語(yǔ) 

該主汽門門桿存在變截面結(jié)構(gòu),且應(yīng)力相對(duì)集 中,承載面積小,材料內(nèi)部存在大量的夾雜物,中心 部位夾雜物數(shù)量較邊緣部位(大直徑處)多,組織應(yīng) 力與熱應(yīng)力較大,材料的硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值,中心部位 的硬度更低,長(zhǎng)期服役后材料的力學(xué)性能出現(xiàn)下降, 導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度不夠;門桿在運(yùn)行過程中受同軸度 及紊流的影響,受到一定的交變應(yīng)力,同時(shí)受間隙和 異物堵塞的影響,門桿易出現(xiàn)受力過大現(xiàn)象;主汽門 運(yùn)行時(shí),在交變的應(yīng)力環(huán)境中,當(dāng)門桿受到的沖擊力 超過材料的臨界斷裂強(qiáng)度時(shí),門桿在小直徑處先出 現(xiàn)裂紋,隨后向大直徑處擴(kuò)展,最終發(fā)生脆性斷裂。 

參考文獻(xiàn): 

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<文章來源 > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 8期 (pp:32-35)>