300MW汽輪機(jī)高壓主汽閥閥桿斷裂原因分析

2013-07-20 王志武武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院

　　通過化學(xué)成分分析、斷口分析、金相分析、電子顯微分析和能譜分析，確定了某300MW汽輪機(jī)1號高壓主汽閥閥桿斷裂的原因，為錯用了25Cr2MoVCu鋼，而非設(shè)計的2Cr12NiMoWV鋼所致。過高的淬火溫度造成組織粗大，晶粒度達(dá)到4級，且存在富銅相、帶狀組織和大量夾雜物，使鋼產(chǎn)生較大脆性。在淬火過程中，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力使彈簧內(nèi)孔根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使形成淬火裂紋，閥桿啟閉產(chǎn)生的應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展，最終引起閥桿斷裂。

　　某電廠300MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組型號為M300-16.7/538/538，額定主汽壓力為16.67MPa，額定主汽溫度為538℃，累計運行20566h后，在第一次A級檢修后的開機(jī)過程中，發(fā)現(xiàn)2號高壓閥門在帶高負(fù)荷時波動較大，一側(cè)高壓配汽機(jī)構(gòu)的1、3、5號高壓導(dǎo)管壓力異常。對1號高壓主汽閥和其后部所連接的1、3、5號高壓調(diào)速汽閥進(jìn)行帶負(fù)荷試驗，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷沒有變化，據(jù)此推斷認(rèn)為，1號高壓主汽閥閥芯可能出現(xiàn)開關(guān)故障。停機(jī)后對1號高壓主汽閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)閥桿在應(yīng)力集中的預(yù)啟閥部位發(fā)生了斷裂，并在同一斷裂層含有新舊兩部分?jǐn)嗪邸榉治龃_定該主蒸汽閥閥桿斷裂的原因，進(jìn)行了化學(xué)成分分析、斷口分析、金相分析、電子顯微分析和能譜分析。

1、化學(xué)成分測定

　　生產(chǎn)制造廠家提供的設(shè)計圖紙標(biāo)明，該閥桿材料為2Cr12NiMoWV馬氏體不銹鋼，熱處理制度為調(diào)質(zhì)。2Cr12NiMoWV鋼是強(qiáng)化的12%Cr型馬氏體耐熱不銹鋼，其合金元素Cr、W、Mo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，國標(biāo)GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》要求的化學(xué)成分見表1所列。從主蒸汽閥閥桿端部割取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分測定結(jié)果見表1所列。

閥桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

　　對比表1的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，閥桿的實際化學(xué)成分與2Cr12NiMoWV鋼(國標(biāo)GB/T20878—2007)的化學(xué)成分完全不符，其主加元素Cr的含量僅為1.62%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求的11%～13%，Si、Mn、Ni、Mo、V、W含量均低于國標(biāo)要求，而且，有0.14%的Cu元素，而2Cr12NiMoWV鋼中不含Cu元素。根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果判斷，該閥桿用鋼僅相當(dāng)于25Cr2MoVCu鋼，并不是2Cr12NiMoWV鋼，因此，該閥桿屬于錯用鋼材。

2、斷裂閥桿的斷口特征

　　2.1、斷口的宏觀特征

　　閥桿斷裂發(fā)生于預(yù)啟閥部位，斷口位于閥桿的變徑處和彈簧內(nèi)孔根部處，如圖1。在斷口附近切割取樣后，發(fā)現(xiàn)在彈簧內(nèi)孔根部處有多條裂紋，如圖2(a)。從裂紋及斷裂特征看，裂紋及斷裂位于閥桿變徑處和內(nèi)孔根部的應(yīng)力集中部位。斷口如圖2(b)，具有以下宏觀特征：

圖1 斷裂后的閥桿

圖2 彈簧內(nèi)孔根部裂紋(a)及閥桿斷口的宏觀形貌(b)

　　1)斷口為粗糙顆粒狀，無明顯塑性變形，屬脆性斷裂。

　　2)斷口有明顯的四個區(qū)域，兩個區(qū)域具有明顯的氧化和腐蝕現(xiàn)象，呈暗紅色，說明裂紋早已形成，在運行中不斷擴(kuò)展，不斷被氧化和腐蝕。另外有兩個白亮區(qū)，屬最終斷裂區(qū)。暗紅區(qū)域要大于白亮區(qū)域，說明裂紋擴(kuò)展過程所受應(yīng)力不是很大，屬于緩慢擴(kuò)展過程。

　　3)斷面上有臺階。臺階是變徑處表面裂紋在向內(nèi)擴(kuò)展過程中與彈簧內(nèi)孔根部裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展連通造成的，說明斷裂過程中，既有變徑處表面形成裂紋并擴(kuò)展，又有彈簧內(nèi)孔根部裂紋的擴(kuò)展。

　　由圖2(a)可以看出，彈簧內(nèi)孔根部處圓弧過渡不光滑，過渡半徑R值偏小，微裂紋起源于此處。圓弧過渡偏小會產(chǎn)生應(yīng)力集中，是產(chǎn)生開裂的一個原因。

　　2.2、斷口微觀分析

　　在掃描電鏡下對斷口進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3，(a)～(c)為不同倍數(shù)下的斷口形貌特征，(d)為掃描電鏡背散射形貌特征。由圖3(a)～(c)可見，斷口上有明顯的氧化物附著，這是由于閥桿斷裂后，經(jīng)受了一定時間的高溫高壓水蒸汽氧化所造成。但是，即使有氧化物，也依然顯示出顯著的冰糖狀特征，表現(xiàn)出典型的沿晶斷裂特征。由斷口的微觀形貌特征斷定，該閥桿的斷裂為沿晶脆性斷裂。圖3(d)的掃描電鏡背散射顯示，基體中有大量塊狀白亮相。對塊狀白亮相進(jìn)行電子探針測定，發(fā)現(xiàn)該相為富Cu相，Cu含量高達(dá)15%以上，如表3所列，如圖4所示。銅在鋼中溶解度極小，通常以游離聚集態(tài)存在，顯著增加鋼的脆性，特別是以塊狀形態(tài)存在時，極易引起脆性斷裂。

3、金相組織分析

　　從斷口部位取樣進(jìn)行金相組織觀察分析，結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示，①該閥桿的金相組織為板條馬氏體組織+少量粒狀貝氏體，晶粒度評級為4級，晶粒粗大，如圖5(a)。②存在帶狀組織。帶狀組織是在軋制過程中形成的，在調(diào)質(zhì)之前若沒有進(jìn)行正火處理，在調(diào)質(zhì)后會依然保留。存在帶狀組織說明，該閥桿的熱處理工藝亦存在缺陷，如圖5(b)。③鋼中存在大量夾雜物，呈帶狀分布，如圖5(c)，說明該閥桿存在冶金質(zhì)量問題。在進(jìn)行金相組織觀察時，發(fā)現(xiàn)多條微裂紋，見圖6(a)、(b)。各條裂紋均位于圓弧角應(yīng)力集中部位，起源于表面，向基體擴(kuò)展，呈現(xiàn)顯著的沿晶擴(kuò)展特征。這說明，該彈簧內(nèi)孔根部裂紋應(yīng)產(chǎn)生于淬火過程中，而不是運行過程中。

圖3 斷口的掃描電鏡形貌

(a～c)掃描電鏡照片;(d)背散射形貌特征

圖4 閥桿斷口處的富銅相

表3 斷口能譜分析結(jié)果

圖5 斷裂閥桿基體金相組織 ×100

(a)基體組織;(b)帶狀組織;(c)夾雜物

圖6 閥桿斷裂部位的裂紋 ×100

4、斷裂原因分析

　　根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果可知，該閥桿選用的鋼材僅相當(dāng)于20Cr2MoVCu鋼，并非2Cr12NiMoWV鋼，屬于錯用鋼材。2Cr12NiMoWV鋼的淬火溫度為1020～1070℃，而根據(jù)含碳量及Cr含量估算，該閥桿用鋼(相當(dāng)于20Cr2MoVCu鋼)的淬火溫度僅為840～860℃，如果在1020～1070℃淬火，晶粒會顯著粗化，得到粗晶組織，脆性增加。在淬火時，由于較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，在應(yīng)力集中的部位很容易導(dǎo)致淬火裂紋。該閥桿的外側(cè)變徑處和彈簧內(nèi)孔根部，均易引起應(yīng)力集中，而且還存在帶狀組織、含有大量夾雜物和富銅相、彈簧內(nèi)孔根部過渡圓弧R值偏小等缺陷，因此，在淬火過程中，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力引起了彈簧內(nèi)孔根部的沿晶開裂，形成多條裂紋。在運行過程中，閥門啟閉時會產(chǎn)生一定的應(yīng)力，并在閥桿變徑處產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。由于閥桿為粗晶及帶狀組織，并存在大量帶狀分布的夾雜物和塊狀富銅相，導(dǎo)致了基體極大的脆性。這種情況下，應(yīng)力集中足以使閥桿在外側(cè)變徑處表面產(chǎn)生裂紋。閥門不斷啟閉產(chǎn)生的應(yīng)力，促進(jìn)裂紋的不斷擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到與彈簧內(nèi)孔根部的裂紋接近時，就產(chǎn)生連通，形成臺階，最終導(dǎo)致斷裂。在裂紋擴(kuò)展過程中，一直伴隨有高溫高壓水蒸汽氧化，使斷口產(chǎn)生氧化，形成大量氧化物。