超臨界600MW機(jī)組主汽閥閥桿斷裂原因分析

2013-06-27 謝億湖南省電力公司科學(xué)研究院

　　采用宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、顯微組織觀察與力學(xué)性能試驗(yàn)等方法,對某超臨界600MW機(jī)組主汽閥閥桿斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,該高溫合金閥桿母材彌散分布富Al、富Si、富Ti和富Mo的強(qiáng)化顆粒,顯微組織異常,且拉伸塑性與沖擊韌性較差,是導(dǎo)致其在絲扣退刀槽處發(fā)生脆性斷裂的主要原因。建議對同批次和同類型的主汽閥閥桿采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行處理,確保機(jī)組安全運(yùn)行。

1、閥桿斷裂情況

　　某超臨界600MW機(jī)組于2010年10月12日7時(shí)并入系統(tǒng)運(yùn)行，8時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥全開后，機(jī)組僅能帶370MW負(fù)荷。進(jìn)一步檢查后發(fā)現(xiàn)，左、右側(cè)主汽閥體溫差大，右側(cè)主汽閥處無明顯節(jié)流聲，判斷其閥芯沒有開啟。2010年10月18日，對右側(cè)主汽閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)該閥閥桿與閥桿套筒連接絲扣斷裂。

　　主汽閥材質(zhì)為GH901鐵基高溫合金，該合金在650℃以下具有較高的屈服強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，760℃以下抗氧化性良好，長期使用組織穩(wěn)定，是一種較成熟的合金，廣泛用于制造在650℃以下工作的航空及地面燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)盤形件、靜結(jié)構(gòu)件、渦輪外環(huán)及緊固件等零部件，同時(shí)也用于超臨界發(fā)電機(jī)組的主汽閥閥桿。

　　沿主汽閥閥桿軸向切割規(guī)格為12.5mm×5mm×160mm的拉伸試樣和規(guī)格為5mm×10mm×50mm的V型缺口沖擊試樣，拉伸試驗(yàn)在UTM5105型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為2mm/min;沖擊試驗(yàn)設(shè)備為JBN-300。

2、宏觀檢測

　　主汽閥閥桿上部斷口形貌如圖1所示。主汽閥閥桿在其上部絲扣的退刀槽處發(fā)生斷裂，斷口無明顯的塑性變形，是典型的脆性斷裂，且斷面無疲勞特征，因此可以排除疲勞斷裂的可能。

圖1 主汽閥閥桿斷口形貌

3、成分分析

　　GH901合金中的Fe是基體元素，Ni是奧氏體穩(wěn)定化元素，Cr是抗氧化腐蝕元素，B為微量晶間強(qiáng)化元素，鈦、鋁等為時(shí)效強(qiáng)化元素，其中Al還可抑制合金中主要強(qiáng)化γ"相向脆性η-Ni3Ti相轉(zhuǎn)化。主汽閥閥桿的合金成分見表1，各化學(xué)元素含量符合《中國航空材料手冊》(以下簡稱“手冊”)要求。

表1 主汽閥閥桿元素含量 at%

4、顯微組織

　　在主汽閥閥桿斷口位置附近取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，其組織為奧氏體，但內(nèi)含異常的混晶組織，不符合DL/T439-2006《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》中關(guān)于奧氏體組織的要求(圖2)。

圖2 主汽閥閥桿金相組織

　　通過掃描電鏡背散射像進(jìn)一步觀察主汽閥閥桿的顯微組織，發(fā)現(xiàn)其基體中分布有大量的黑色和白色的顆粒，尺寸在10μm量級，且形狀不規(guī)則(圖3(a))。EDS圖譜表明這些顆粒是富Al、富Si、富Ti和富Mo的強(qiáng)化相，其中富Al顆粒尺寸較大，如圖3(b)中“1”所示。富Si顆粒外形較細(xì)長，如圖3(b)中“2”所示。富Ti顆粒外形接近圓形，且尺寸較小，如圖3(c)中“3”所示。富Mo顆粒是白色的，外形多為圓形，如圖3(c)中“4”所示。各強(qiáng)化相的合金成分見表2。

表2　高溫閥桿各析出相成分 at%

圖3 主汽閥閥桿背散射相及標(biāo)記為1～4的顆粒能譜

　　依據(jù)《手冊》標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)下GH901組織為奧氏體基體上析出球狀的γ'相以及少量的MC和M3B2等相。γ′相彌散分布于晶內(nèi)，直徑約為14～20mm，約占合金重量的10%～12%，其化學(xué)組成近似為(Ni0.95Fe0.03Cr0.02)3(Ti0.85Al0.15)。MC和M3B2相的總量約占合金重量的0.27%～0.35%。通過比較發(fā)現(xiàn)，GH901主汽閥閥桿中的各強(qiáng)化相顆粒與標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)下的強(qiáng)化相不符，說明斷裂的高溫閥桿熱處理工藝不到位，微觀組織異常。

5、力學(xué)性能

　　主汽閥閥桿橫截面的布氏硬度值為360HB，滿足《手冊》對GH901合金硬度的要求(302～388HB)。

　　主汽閥閥桿的室溫拉伸數(shù)據(jù)見表3。由表3可見，主汽閥閥桿的抗拉強(qiáng)度符合《手冊》要求，但表征材料塑性的延伸率和斷面收縮率均低于《手冊》要求，這說明主汽閥閥桿母材的塑性較差。

表3 主汽閥閥桿室溫拉伸力學(xué)性能

　　主汽閥閥桿試樣的平均沖擊功為41.5J，沖擊韌性為518kJ/m2，低于《手冊》要求的600～700kJ/m2，說明主汽閥閥桿母材的沖擊韌性較差。

　　圖4(a)是沖擊試樣斷口的形貌，宏觀斷口比較平坦，呈鐵灰色，無明顯的纖維區(qū)和放射區(qū)。微觀斷口顯示斷面為典型冰糖結(jié)晶狀，屬于脆性沿晶斷裂模式。斷面上分布有不少的沿晶二次裂紋(圖4(b～c))。同時(shí)，沿?cái)嗫诰Ы缟洗嬖诓簧俚念w粒和其剝離遺留下來的孔洞(圖4(d))。