水电站闸门充水阀阀杆断裂原因分析

广波 吴兴 朱生学

摘  要：本文采用化学成分分析和硬度测试等方法，分析了某水电站调压室事故闸门充水阀阀杆断裂原因。结果表明：阀杆热处理回火不充分，使材料硬度偏高，分布不均，因此局部脆性破坏概率增加;，圆头和直杆过渡区的应力集中位置导致存在加工分界线，因此使阀杆机加工存在隐患，致使在剧烈振动下容易发生开裂现象;此外，充水过程中，阀头开度较小处于水流不稳定区，阀头振动剧烈，导致应力集中的阀杆圆头与直杆过渡处开裂扩展;基于以上问题，本文对此提出了改进措施并取得较好效果，为工程实践提供了参考。

关键词：大型水电站;充水阀;阀杆断裂;化学成分分析;硬度测试

中图分类号：TK730    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）07-0000-00

0前言

在某水电站压力钢管充水平压进行过程中，压力钢管充水突然中断，通过压力钢管通气孔灌水平压后，将闸门提起检查发现充水阀阀杆断裂，阀头掉落封堵充水管口。查找相关资料发现断裂的充水阀拉杆材料为40Cr13调制处理，阀杆直径48 mm。为查明是生产质量问题还是使用问题，作者通过宏观检查、断口分析、金相检验、加工工艺等方法对阀杆断裂原因进行分析。

1 原因分析

1.1 断口宏观形貌

断口处于圆头和直杆过渡位置，肉眼观察断口宏观形貌不一致，一半较为平整，无撕拉、扭曲、剪切痕迹，可判断此处为断裂起始位置，如图1。另一半撕拉痕迹明显，且与正应力垂直，无扭曲，断面收缩小，无金属光泽，有明显塑性变形，为缺陷扩展后受力所致，如图2。

1.2 化学成分分析

对阀杆材料采用定量光谱方法进行成分分析，确定材料合金元素是否符合标准要求，检测结果如下表1 所示，阀杆材料中各元素均控制在标准要求范围内，符合GB /T1220-2007对40Cr13 的规定要求。

1.3硬度测试

为了解材料强度的均匀性指标，采用布氏硬度标准对阀杆横截面按照断裂处宏观形貌（平整侧）边缘→芯部→边缘（不平整侧）进行硬度测定。从硬度数据表2来看，材料整体硬度偏高，超过GB/T1220-2007 标准中规定的40Cr13退火后的硬度上限指标235HBW。硬度越高，相应的强度越大、塑韧性差，发生脆性斷裂的可能性越大。从硬度测试数据中可以看出，断口平整侧平均硬度比不平整侧平均硬度高，说明硬度分布不均匀，见表2。

1.4阀杆机加工

从断口宏观形貌可以看出，开裂起始位置裂口平整，无塑性变形和受力迹象，圆头与直杆过渡加工时，设计图纸圆头与直杆过渡处有一条实线（如图3），加工时先加工好圆头和直杆，圆头和直杆存在90°夹角，最后在球体上加工R5的倒角与直杆过渡，导致球体表面被破坏，理论上图纸表示出直杆与球体之间并没有实线。

该过渡段加工原因，导致圆头和直杆存在实际区别线，该加工线处于应力集中位置，在高频剧烈振动下容易发生开裂，并发展为受力最薄弱区，进而导致断裂。

1.5 运行工况分析

根据设计要求，为了保持压力钢管充水速度在2m/min，充水阀开度局部开启约100mm，经计算，当充水阀开度<125mm时水流不稳定，阀头受下拉力较大，高频振动剧烈，导致阀杆开裂缺陷扩展。

2 结论与改善

断裂起源于拉杆圆头与直杆过渡处，在断裂源断口表面从内到外表现为脆性断裂和存在原始缺陷扩展特征。

断裂拉杆整体硬度偏高，不符合标准要求，说明回火不够充分，造成材料脆性增加。宏观检查发现断口呈现两种不同形态，一半无撕拉塑性变形，说明阀杆存在原始缺陷。阀杆机加工方式存在隐患，导致在应力集中处存在实际区别线，无平滑过渡，容易开裂。充水过程充水阀开度过小导致水流不稳定，阀头高频振动，导致圆头与直杆过渡处开裂并扩展。

根据上述分析结果，对阀门拉杆的实际生产过程和充水阀开度进行了改进完善：

（1）对原材料进行超声波探伤，筛查材料本体缺陷;（2）优化阀杆圆头与直杆过渡段加工方式，按照“先加工出直杆、再加工出圆弧角、最后加工出球体”的步骤进行;（3）调整40Cr13 热处理工艺，淬火后及时充分回火;（4）调整热处理时间，确保阀杆热处理后硬度在标准要求范围内;（5）按照计算要求，充水时保证充水阀开度>125mm，避开水流不稳定区。

3总结

阀门拉杆断裂主要是阀杆存在初始制造缺陷，在不稳定工况下导致缺陷扩展造成。其主要表现在以下方面：（1）材料调质回火处理不充分，硬度偏高;（2）阀杆机加工方式存在隐患，拉杆圆头与直杆过渡处存在实际加工区别线，该加工线容易开裂;（3）运行中充水阀开度小，水流不稳定，阀头振动剧烈，导致应力集中的圆头与直杆过渡处开裂和扩展。结合检修，对同批次阀杆全部进行更换，同时加强重要金属备品备件的质量验收，严格选材用材，确保设备安全运行，减少失效事故。对该水电站上游调压室事故闸门充水阀阀杆断裂的原因分析和改善处理过程为国内外同类型电站的同类型设备提供了一定参考。

参考文献

[1]李驹，杨曙建，鲍逸鸣，等.水电厂阀杆断裂原因分析[J].华东电力，2013（3）：89-90.

[2]王笑天.金属材料学[M].北京：机械工业出版社，1987.

收稿日期：2019-05-21

作者简介：广波（1987—），男，四川大邑人，本科，工程师，研究方向：水电站机械设备检修维护。

Cause Analysis of Fracture of Upstream Surge chamber Filling Valve stem of

Hydropower Station

GUANG  Bo，WEI  Xing， ZHU Shengxue

（Yalong River Basin Hydropower Development Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan  610000）

Abstract：In this paper， chemical composition analysis and hardness test are used to analyze the fracture reason of the valve stem of the emergency gate in the surge chamber of a hydropower station. The results show that the heat treatment and tempering of the valve stem are not sufficient， the hardness of the material is high and the distribution is uneven， so the probability of local brittle failure increases; the stress concentration position of the transition zone between the round head and the straight rod results in the existence of machining boundary， so there is a hidden danger in the machining of the valve stem， In addition， in the process of water filling， the valve head opening is small in the flow instability area， and the valve head vibration is intense， which leads to the crack and expansion of the transition between the round head of the valve stem and the straight rod with stress concentration. Based on the above problems， this paper puts forward the improvement measures and achieves good results， which provides a reference for engineering practice.

Key words：Hydroelectric power plant; Emergency gate filling valve stem; stem fracture; chemical composition analysis; hardness test