摘 要:采用通道式合金分析儀、光學(xué)顯微鏡、拉伸和沖擊試驗機、掃描電子顯微鏡等分析了預(yù) 啟閥閥碟的化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能以及斷口宏觀和微觀形貌,并結(jié)合預(yù)啟閥閥碟現(xiàn)場工況 條件對其開裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:由于該預(yù)啟閥閥碟韌性和塑性較差,從而導(dǎo)致其在與止 轉(zhuǎn)銷接觸面承受較大脹緊力處發(fā)生脆性開裂;裂紋起源于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸的內(nèi)表面中心處,材料 內(nèi)部的密集孔洞連接形成最初的微裂紋,晶界析出的碳化物使得材料整體抗裂紋擴(kuò)展能力變差,裂 紋隨后發(fā)生快速擴(kuò)展并彼此連接成大裂紋,最終導(dǎo)致閥碟開裂失效. 

關(guān)鍵詞:預(yù)啟閥;閥碟;開裂;力學(xué)性能;脹緊力;孔洞;碳化物 

中圖分類號:TB３１;TK２６８ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７５７Ｇ０４

２０１７年,遼寧某電廠在檢修期間發(fā)現(xiàn),中壓調(diào) 速汽門預(yù)啟閥閥碟開裂失效.中壓缸進(jìn)汽閥設(shè)計為 兩臺聯(lián)合汽門,聯(lián)合汽門由中壓調(diào)速汽門和中壓主 汽門合并在一個閥殼內(nèi),雖然它們利用一個共同的 閥殼,但這兩個汽門的功能是不同的,各自有獨立的 操作控制裝置.中壓調(diào)速汽門設(shè)計獨立的閥碟組 件,主閥碟內(nèi)部設(shè)有預(yù)啟閥,在閥門開啟時降低主閥 碟前后壓差,減小閥門開啟力.對中壓調(diào)速汽門進(jìn) 行解體檢查,發(fā)現(xiàn)閥桿輕微積存氧化皮,襯套完好無 斷裂,拆除閥蓋后吊出預(yù)啟閥,可見預(yù)啟閥止轉(zhuǎn)銷截 面存在明顯裂紋,如圖１所示,已不能滿足正常使用 要 求.失效中壓調(diào)速汽門基本參數(shù)見表１;開裂閥碟材料是汽輪機用 GH９０１ 高溫合金,閥碟直徑是 ２９０mm;銷子材料是２Cr１２NiMo１W１V 鋼,直徑是 ８５mm.為查明該預(yù)啟閥閥碟開裂失效原因,筆者 對其進(jìn)行了檢驗和分析,并提出了改進(jìn)措施.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀分析 

由圖１可見 ,止轉(zhuǎn)銷和閥碟結(jié)合比較緊密,從裂紋未貫穿一側(cè)沿橫截面方向機加工切開,打開裂紋貫 穿一側(cè)斷口,發(fā)現(xiàn)斷口和止轉(zhuǎn)銷接觸面存在脫落的氧 化皮.由圖２可見:斷口表面顏色呈灰黑色,兩斷裂 面嚙合性好,無明顯塑性變形;斷面明顯可分為３個 區(qū)域,即 A區(qū)纖維區(qū),B區(qū)放射區(qū),C區(qū)剪切唇區(qū);其 中B區(qū)有明顯的放射狀條紋,屬于典型的脆性斷口, 放射狀條紋發(fā)射的反方向指向裂紋源,即 A區(qū).

１．２ 化學(xué)成分分析 

分別從閥碟近表面和中心部位取樣進(jìn)行化學(xué)成 分分析,結(jié)果見表２.對止轉(zhuǎn)銷取樣進(jìn)行化學(xué)成分 分析,結(jié)果見表３.

根據(jù)資料,閥碟材料為 GH９０１高溫合金,參照 «中國航空材料手冊»(第２版)第２卷[１]對 GH９０１ 材料成分的要求,閥碟表面和心部的化學(xué)成分均符 合該手冊技術(shù)要求.止轉(zhuǎn)銷化學(xué)成分分析結(jié)果滿足 GB/T ８７３２ － ２００４ «汽 輪 機 葉 片 用 鋼 »對 ２Cr１２NiMo１W１V 鋼成分的技術(shù)要求.

１．３ 力學(xué)性能試驗 

分別從閥碟和閥桿處取拉伸、沖擊試樣進(jìn)行力 學(xué)性能檢測,取樣位置見圖 ３ 和圖 ４,試驗結(jié)果見 表４和表５.

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１．３．１ 拉伸試驗

由表４拉伸試驗結(jié)果可見:閥碟近表面及中心 位置材料斷后伸長率很低,材料斷裂時無明顯塑性 變形;閥桿的抗拉強度和斷后伸長率均高于閥碟的, 但仍不符合«中國航空材料手冊»對 GH９０１高溫合 金材料的技術(shù)要求.

１．３．２ 沖擊試驗 

由表５沖擊試驗結(jié)果可見:閥碟近表面、中心位 置及閥桿的沖擊吸收能量都很低,均不符合«中國航 空材料手冊»對 GH９０１高溫合金材料的技術(shù)要求.

１．４ 金相分析 

對閥碟斷口面取樣進(jìn)行金相分析,金相取樣位置 為圖２中２號試樣的縱截面和３號試樣的橫截面,草 酸水溶液電解侵蝕,金相分析結(jié)果見圖５和圖６.

閥碟 A 區(qū)斷口上存在大量孔洞,見圖７.部分 孔洞已經(jīng)連接成線,見圖８a);部分孔洞以孤立的點 存在,見圖８b),孔洞直徑在２０~１００μm.斷口上 沒有觀察到明顯的疲勞斷裂特征.

２ 綜合分析 

閥碟開裂面與閥碟軸向基本垂直.斷口表面無 明顯塑性變形,存在放射狀條紋,條紋指向表明裂紋 起源于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸面.閥碟近表面及中心位 置化學(xué)成分符合«中國航空材料手冊»對 GH９０１高 溫合金材 料 的 技 術(shù) 要 求,止 轉(zhuǎn) 銷 化 學(xué) 成 分 亦 滿 足 GB/T８７３２－２００４對 ２Cr１２NiMo１W１V 鋼 成 分 的 技術(shù)要求.閥碟材料力學(xué)性能差,抗拉強度、斷后伸 長率以及沖擊吸收能量均不符合«中國航空材料手 冊 »對GH９０１高 溫 合 金 材 料 的 技 術(shù) 要 求 .表 明 閥碟材料塑性和沖擊韌性差,缺口敏感性大,易發(fā)生脆 性開裂.對閥碟材料進(jìn)行金相分析,觀察到碳化物 有在晶界處大量聚集現(xiàn)象且材料內(nèi)部存在較多孔洞 等缺陷,此為材料變脆的主要原因.由掃描電鏡觀 察結(jié)果可知,閥碟斷口表面存在很多孔洞等微觀缺 陷,孔洞直徑在２０~１００μm,有些孔洞已連接發(fā)展 成微裂紋,有些孔洞還未連接.

３ 結(jié)論及建議 

(１)閥碟開裂失效是由于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸面 的斷裂韌度過低,以及閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸面承受的 脹緊力相互作用,從而導(dǎo)致閥碟發(fā)生脆性開裂. 

(２)裂紋起源于閥碟與止轉(zhuǎn)銷接觸的內(nèi)表面中 心處,材料內(nèi)部的密集孔洞連接形成最初的微裂紋, 晶界析出的碳化物使得材料整體抗裂紋擴(kuò)展能力變 差,裂紋隨后發(fā)生快速擴(kuò)展并彼此連接成大裂紋,最 終導(dǎo)致閥碟開裂. 

(３)材料內(nèi)部孔洞可能是材料在鑄造階段產(chǎn)生 的,鍛造過程中由于鍛造壓縮比不足而沒有被消除; 也可能是材料在高的脹緊力作用下而產(chǎn)生的蠕變孔 洞[２Ｇ４]. 

(４)建議在生產(chǎn)時,優(yōu)化閥碟鍛造工藝,控制鍛 造壓縮比在合理的范圍之內(nèi);在使用時,閥碟和止轉(zhuǎn) 銷應(yīng)選擇同種材料來防止接觸面處產(chǎn)生脹緊力. 

參考文獻(xiàn): 

[１] «中國航空材料手冊»編輯委員會．中 國 航 空 材 料 手 冊 第２卷:變形高溫合金 鑄造高溫合金[M]．２版． 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,２００２． 

[２] 柯浩,王華龍．GH９０１高溫合金 CV 閥閥桿斷裂原因 分析[J]．熱加工工藝,２０１６(１２):２４１Ｇ２４３． 

[３] 謝億,郭建亭,陳紅冬,等．超臨界６００MW 機組主汽閥 閥桿斷裂原因分析[J]．熱力發(fā)電,２０１２,４１(６):６９Ｇ７３． 

[４] 何朋非,謝億,屈國民．主汽閥閥桿 GH９０１斷裂分析 [J]．熱加工工藝,２０１５(２２):２３２Ｇ２３４． 

文章來源——材料與測試網(wǎng)