发电机密封油系统安全阀断裂失效分析

, , , , 国栋

(苏州热工研究院有限公司， 苏州 215004)

发电机密封油系统安全阀断裂失效分析

左敦桂,赖云亭,张忠伟,张路,张国栋

(苏州热工研究院有限公司， 苏州 215004)

针对电力行业中某发电机密封油系统灰铸铁安全阀在安装过程中断裂失效问题，对其进行了宏观分析、拉伸试验、金相检验、断口微观分析等检验，分析了其断裂原因。结果表明：该安全阀断裂模式为典型的灰铸铁脆性断裂；安全阀强度偏低和安装工艺不当，是导致其发生脆性断裂的主要原因。最后提出了预防措施。

密封油系统； 安全阀； 灰铸铁； 脆性断裂； 强度； 安装

电力行业中发电机密封油系统的主要功能是给发电机密封瓦供应润滑油，防止发电机内部的氢气从转子与发电机壳体间的缝隙泄漏出来，同时避免空气侵入，保证发电机氢气冷却剂的纯度，满足密封所需要的润滑油的温度、压力、流量，使发电机在各种工况下运行时氢气压力能维持在正常值[1-2]。密封油系统中的安全阀直接与泵体相连，上部法兰与管道部件连接，系统运行过程中安全阀主要通过对出口油压进行监控，防止油压出现超标，保证整个密封油系统的稳定运行，如果安全阀发生失效将直接导致密封油系统失去油压保护，从而触发跳机，严重影响发电机组的正常运行。某发电机密封油系统中的安全阀在安装过程中紧固完螺栓后发现断裂，安全阀材料为HT200灰铸铁。笔者对该安全阀进行了检验和分析，查明了其断裂失效原因，并提出相应的解决失效的对策。

1 理化检验

1.1 宏观分析

安全阀断裂位置及断口形貌如图1所示，可见断口表面粗糙，整体呈灰黑色，断口表面无明显腐蚀特征，断口附近未见明显的塑性变形，为典型的灰铸铁脆性断裂断口。将两个断口拼在一起，通过观察断口的吻合程度可以看出，裂纹启裂于法兰根部倒角处，该处为应力集中区域。部分法兰安装孔内壁存在螺纹型压痕，且螺纹型压痕处光亮无腐蚀特征。法兰安装孔内螺纹型压痕情况及位置如表1和图2所示。

1.2 拉伸试验

对安全阀阀体取样进行室温拉伸试验。受安全阀尺寸限制，拉伸试样采用直径为6 mm的圆棒状试棒，试验设备为日本岛津AG-IC 100 kN精密电子万能材料试验机，试验依据标准为GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》。室温拉伸试验结果如表2所示，可见阀体材料的室温抗拉强度在60～63 MPa，明显低于GB/T 9439-2010《灰铸铁件》对HT200材料抗拉强度的技术要求。

图1 安全阀断裂位置及断口宏观形貌Fig.1 The macro morphology of a) fracture position and b) fracture surface of the safety valve

编号螺纹型压痕情况螺纹型压痕位置1螺纹型压痕较深，上深下浅2螺纹型压痕较深，上深下浅3螺纹型压痕较浅4无螺纹型压痕5基本无螺纹型压痕6螺纹型压痕较深，上深下浅7螺纹型压痕上深下浅8螺纹型压痕较深，位于孔上、中部 注：右图中实线箭头为螺纹位置，虚线为裂纹位置

图2 法兰安装孔内螺纹型压痕形貌Fig.2 Morphology of screw imprints in the flange holes

1.3 金相检验

在安全阀阀体上截取金相试样，采用ZEISSAXIOVERT 200 MAT研究级倒置万能金相显微镜对金相试样进行观察，包括抛光态下的石墨分布形态，以及经4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后的显微组织形貌。检验依据标准为GB/T 7216-2009《灰铸铁金相检验》。阀体材料的金相检验结果见图3和图4：石墨分布为A型，石墨长度为3级；珠光体数量为8级；显微组织中未见晶界网状析出、气孔、疏松等异常铸造组织和显微缺陷。

表2 安全阀室温拉伸试验结果Tab.2 Tensile test results of the safety valve at room temperature

图3 抛光态石墨形貌Fig.3 Graphite morphology under polishing state

图4 侵蚀后显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology after erosion

1.4 断口微观分析

采用TESCAN VEGA TS5136XM扫描电镜(SEM)对安全阀启裂断口边部和中心位置进行观察分析。分析依据标准为JY/T 010-1996《分析型扫描电子显微镜方法通则》。断口微观分析结果见图5，可以看出断口各区域微观特征相似，均呈沿石墨片界面开裂的脆性断裂特征，为灰铸铁典型的脆性断裂断口。断面未发现气孔、缩松等铸造缺陷。

2 分析与讨论

失效安全阀断口及母材显微组织中均未见气孔、缩松等铸造缺陷，可排除因铸造缺陷引起开裂的可能。在灰铸铁材料中，珠光体数量越多，材料强度越高；A型石墨长度级别越高，材料强度越高[3-5]。由金相检验结果可知，失效安全阀材料中的石墨长度已经达到3级，珠光体数量达到最低的8级，这将显著降低灰铸铁材料的强度。室温拉伸试验结果表明，安全阀材料的实际抗拉强度只有60 MPa左右，当其承受一个不大的外载荷时，很容易在应力集中处发生开裂。

图5 安全阀断口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of the safety valve：a) SEM observation positions; b) SEM morphology of position 1; (c) SEM morphology of position 2

通过对法兰安装孔剖析发现，4号和5号安装孔内无螺纹型压痕，6～8号安装孔内螺纹压痕较深，且均表现为上深下浅，为法兰与上部管道安装未对中导致螺栓和法兰孔间存在相对倾斜安装所致，安装完毕后将导致法兰右侧和上部管道存在间隙，后续紧固右侧1～3号螺栓时右侧法兰将承受来自管道上部的拉应力，导致法兰根部位置应力集中程度加剧，促进该位置裂纹的萌生。

3 结论及建议

通过上述分析，失效安全阀材料抗拉强度明显偏低，导致承受外载能力不足;而造成安全阀材料抗拉强度明显偏低的原因是材料中石墨长度偏长，珠光体数量偏低。安全阀在安装过程中没有严格按照相关操作规程进行紧固，导致部分螺栓倾斜安装，造成安全阀法兰部分部位承受拉应力，促使法兰根部应力集中处萌生裂纹，引起断裂。

针对上述结论，建议对新换安全阀，在入厂和安装前进行全面的材质检验，确保其各项性能指标均满足GB/T 9439-2010技术要求。同时安全阀在与其他部件安装时，应严格按照安装工艺规程及GB/T 16823.2-1997 《螺纹紧固件紧固通则》要求进行对称紧固，避免出现对中不良导致应力集中等情况。

[1] 庄国霖. 发电机密封油系统介绍及发电机进油分析[J]. 中国科技信息,2009(13):135-136.

[2] 赖剑岭,许海伦. 国内百万千瓦核电站氢冷发电机2种密封油系统的比较[J]. 发电设备,2009,23(2):140-143.

[3] 晋芳伟. 灰铸铁中石墨分布形态对性能的影响[J]. 云南农业大学学报,2000,15(2):139-141.

[4] 吴孝庭,麻先银,杨明月. 灰铸铁中石墨的分类及检验[J]. 理化检验-物理分册,2014,50(3):204-208,215.

[5] 孙礼. 铸铁活塞环的微观缺陷及其分析(续)[J]. 理化检验-物理分册,1999,45(10):466-468.

FractureFailureAnalysisonSafetyValveofaGeneratorSealingOilSystem

ZUODungui,LAIYunting,ZHANGZhongwei,ZHANGLu,ZHANGGuodong

(Suzhou Nuclear Power Institute Co., Ltd., Suzhou 215004, China)

The gray iron safety valve of a generator sealing oil system in electric power industry fractured during installation, and series of test such as macro analysis, tensile test, metallographic examination and fracture micro analysis were done to the failure safety valve to find out the fracture reasons. The results show that the fracture of the safety valve was typical brittle fracture of gray iron. The low strength of the safety valve and improper installation process were main reasons for the brittle fracture. Finally, preventive measures were put forward.

sealing oil system; safety valve; gray iron; brittle fracture; strength; installation

2016-12-20

左敦桂(1979-)，男，高级工程师，主要从事电站关键设备和金属部件失效分析及寿命评估工作，robbiezuo@163.com

10.11973/lhjy-wl201712018

TG143.2

B

1001-4012(2017)12-0922-04