某汽轮机蒸汽调节阀杆断裂的原因

2021-12-08朱蕾

理化检验(物理分册) 2021年11期

朱蕾

(中国船舶重工集团公司第704研究所, 上海 200031)

失效件为某机组汽轮机蒸汽调节阀杆，机组在高负载工况下运行后，拆机检测时发现阀杆已断裂，其材料为25Cr2Mo1VA-5+6钢。阀杆端头在装置联动作用下沿轴向反复运动，服役环境为300 ℃/3.7 MPa高温高压蒸汽，最高温度压力为415 ℃/5.6 MPa。断裂阀杆所在机组由于并联的机组逆功率运行，功率从590 kW升高至2 000 kW，汽轮机转速在3 s内由9 975 r/min升高至10 366 r/min，该机组在2 000 kW功率条件下运行约40 s后，恢复至1 500 kW以下，又在600 kW功率条件下运行20 min后，解列至空载运行状态，在工作1.5 d后的停机期间，机组并网一次，时间为20～30 min，机组转速正常，最后在拆机检修时阀杆发生断裂。笔者通过一系列的理化检验，分析了阀杆断裂的主要原因，以避免同类事故的再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂阀杆以及同批次使用的未断裂阀杆的宏观形貌见图1。阀杆断口的宏观形貌见图2a)。由图2a)可见，断口整体较为平整、洁净，呈亮金属色，未见异物覆盖，断面与轴向垂直，整体未见明显塑性变形，断面较为粗糙，呈外力作用下一次性脆性断裂的宏观形貌特征。阀杆表面的宏观形貌见图2b)。由图2b)可见，阀杆表面存在磨损痕迹，磨损痕迹边缘存在明显轮廓，该位置恰好为横向蒸汽输入口。

1.2 化学成分分析

在断裂阀杆上取样，对其进行化学成分分析，其化学成分实测值与GB/T 3077-2015《合金结构钢》中对25Cr2Mo1V钢的化学成分的技术要求见表1，可知该断裂阀杆的化学成分满足技术要求。

表1 断裂阀杆的化学成分Tab.1 Chemical compositions of fractured valve stem

1.3 力学性能试验

从未断裂阀杆上截取试样进行拉伸试验，在断裂阀杆上取样进行冲击试验，力学性能实测值与GB/T 3077-2015《合金结构钢》中对25Cr2Mo1V钢的力学性能技术要求见表2,可知其力学性能满足要求。

表2 阀杆的力学性能Tab.2 Mechanical properties of valve stem

1.4 断口分析

将阀杆断口和阀杆表面置于扫描电镜(SEM)下进行观察。由图3可见：断口主要呈准解理+韧窝的形貌特征，进一步放大观察发现，断口呈外力作用下发生一次性断裂的微观形貌特征；阀杆表面磨损处可见与断口大致平行的微裂纹。

图3 阀杆断口和阀杆表面的SEM形貌Fig.3 SEM mophology of fracture and surface of valve stem:a) valve stem fracture, low magnification; b) valve stem fracture, high magnification; c) valve stem surface, low magnification

1.5 能谱分析

在阀杆断口处取样，经镶嵌、磨抛后，置于扫描电镜下观察。由图4可见，阀杆表面存在多个腐蚀坑，可见1条起源于腐蚀坑且与主裂纹大致平行的微裂纹。对图4方框中的腐蚀坑处和微裂纹处的腐蚀产物进行能谱分析。由表3可知，腐蚀产物中存在含量较高的硫元素，说明阀杆服役环境中存在该元素。

图4 阀杆断口处腐蚀坑和微裂纹的微观形貌Fig.4 Microstructure of corrosion pits a) and micro cracks b) of valve stem fracture

表3 图4中的腐蚀产物的能谱分析结果Tab.3 Energy spectrum analysis results of corrosion products in figure 4

1.6 显微组织观察

从阀杆断口处截取剖面试样，经化学试剂浸蚀后进行观察。由图5可见，阀杆表面组织为含氮索氏体+组织，阀杆心部显微组织为回火索氏体。

图5 阀杆断口剖面的显微组织Fig.5 Microstructure of fracture section of valve stem: a) surface; b) heart

1.7 硬度试验

将磨抛后的阀杆断口剖面试样置于显微硬度计上，采用2.907 N的试验力测试试样心部的显微硬度，其硬度为256，258，262 HV0.3，平均值为259 HV0.3。采用维氏硬度在试验力为2.907 N下，分别检测阀杆断裂位置附近与远离断口处的氮化层深度，根据GB/T 11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》，从试样表面测至比基体维氏硬度值高50 HV0.3(即309 HV0.3)处的垂直距离为渗氮层深度，结果见表4。由表4可见，断裂位置附近与远离断口处的氮化层深度无明显差异，距阀杆表面0.1 mm处的硬度值无明显差异。

表4 阀杆断裂位置附近与远离断口区域的硬度深度分布Tab.4 Hardness depth analysis near and far away fromfracture position of valve stem HV0.3

2 分析与讨论

通过理化检验结果可知，断裂阀杆的化学成分与力学性能均符合相关技术要求，其显微组织未见异常。

阀杆的断口宏观形貌具有外力作用下一次性脆性断裂的宏观形貌特征，阀杆断口的微观形貌具有外力作用下一次性脆性断裂的微观形貌特征，与宏观观察结果相符。分析认为阀杆的断裂性质为在外力作用下发生的一次性断裂。

阀杆表面可见磨损痕迹，从阀杆的使用情况与结构分析，认为该磨损为与横向蒸汽孔边缘处的磨损。在该处截取剖面试样，可见阀杆表面存在腐蚀坑，腐蚀坑处存在与断口大致平行的向材料内部扩展的微裂纹，微裂纹内可见腐蚀产物。在腐蚀产物中检测到腐蚀性硫元素，说明阀杆使用环境中的高温蒸汽含有腐蚀性介质，阀杆在蒸汽输入口处最先接触到腐蚀性介质，导致该处发生腐蚀，形成腐蚀坑，并在腐蚀性介质与工作应力共同作用下形成应力腐蚀裂纹。

阀杆所在机组在较高负载情况下工作1.5 d后进行拆机检测，如果阀杆在电机发生异常后马上断裂，那么电机会马上停止运作，并且断口会在高温蒸汽与腐蚀性介质共同作用下发生氧化腐蚀。而从断口的宏观与微观形貌来看，断面较为洁净，呈亮金属色，整体未见异物覆盖，说明断口没有发生氧化腐蚀，从而判断阀杆是在系统停机后进行拆机检测时发生的一次性断裂。