锅炉电动气动泄放阀阀体螺柱断裂原因探讨

2022-06-28王宏伟

山西电力 2022年3期

王宏伟

（山西京能吕临发电有限公司，山西吕梁 033299）

0 引言

锅炉动力驱动泄放阀是一种全部由外部动力源（电动、气动或液动）控制其开启或关闭动作的阀门，一般称之为PCV（positive crankcase ventilation）阀。电动气动泄放阀EPRV（electro pneumatic relief valve）是大型电站锅炉动力驱动泄放阀的一个类型，其作用为：在锅炉系统开始超压，达到动力泄放阀设定开启压力时，动力泄放阀打开，向外排放蒸汽降低系统压力，为锅炉提供超压保护；动力泄放阀打开后，避免在锅炉超压时，压力继续升高而导致安全阀起跳，延长安全阀使用寿命。EPRV 阀是国内已应用的继先导式、球阀式动力泄放阀后的第三代锅炉动力驱动泄放阀，其主要由一个弹簧式安全阀、双作用气缸组成，控制系统由阀组、就地控制箱、压力开关盒、远程控制面板等组成。EPRV 阀具有结构简单、密封性好，失电、失气后仍可以全启排放，保障系统对排放量的要求，维修简单、备件少，经济性、可靠性高等一系列的优点，目前在大型机组中的应用比例逐渐提高，分析探讨此次EPRV 阀门阀体螺柱断裂的原因，对同类型机组阀门的安全运行具有较明显的参考价值。

1 事故情况介绍

某电厂1 号锅炉EPRV 阀门是由东方电气集团东方锅炉股份有限公司配供的，是德国Sempell公司生产的SEP 系列泄放阀。一般来说，SEP 系列泄放阀是一种配备了A160 气动执行机构的弹簧加载型阀门。A160 气动执行机构控制泄放阀在某个特定的压力下打开（即动作压力）。弹簧的设定点比动作压力高5%～10%，以保证在控制单元故障时泄放阀不会打开。泄放阀只能借助于A160 气动执行机构才能打开。A160 气动执行机构由STE8 控制器控制。

1 号机组于2019 年7 月20 日点火开始整套启动，7 月27 日并网成功，进行机组涉网试验。9 月20 日，1 号机组启动，06：27：00 进行EPRV 阀开启试验，参数为：高温过热器出口左侧汽压7.027 MPa，右侧汽压7.049 MPa。06：29：00 关闭EPRV 阀时的参数为：高温过热器出口左侧汽压6.38 MPa，右侧汽压6.401 MPa。但关闭时发现右侧EPRV 阀不回座，经现场检查发现EPRV 阀上阀体倾斜，阀体连接螺柱断裂，造成EPRV 阀杆无法回座。截止到本次EPRV 阀连接螺柱断裂发生，1 号锅炉处于整套启动试运行阶段，已累计运行约2 个月，期间两侧EPRV 阀曾因多种原因发生数次起跳。

经厂家技术人员当天现场检查发现锅炉两侧EPRV 阀均有不同程度的损伤，左侧阀体断裂连接螺柱4 条，右侧阀体断裂连接螺柱9 条，密封面有磨损痕迹，阀座固定用内六角螺钉缺失1 条。

2 试验情况与结果

2.1 送检螺柱介绍

现场发现螺柱断裂的情况后，对断裂的EPRV阀阀体螺柱进行取样送检，进行送检分析的EPRV阀螺柱共计4 条，其规格为M20×250 mm，材质为SA193-B16。

2.2 宏观形貌观察与分析

对断裂的1 号锅炉EPRV 阀螺柱进行宏观形貌分析，检查其是否存在原始缺陷、机械损伤、严重氧化、腐蚀等痕迹，螺柱有无明显塑性变形等特征，并结合其他试验手段进行进一步分析。

4 条EPRV 阀螺柱均断裂于自钢性杆向螺纹部位过渡的第1～2 扣螺纹的牙底部，断口及其附近螺柱表面存在一定程度的锈蚀和高温氧化情况，各螺柱断裂部位均未见明显塑性变形；各螺柱断口宏观形貌基本一致，断口上可以观察到较为清晰的“贝纹线”形貌，呈现较为典型的拉—压型疲劳断裂特征，断口上起裂区、裂纹扩展区及瞬断区等特征区域明显。根据“贝纹线”扩展形貌，基本可以推断出各断口的起裂源均位于边缘的螺纹牙底部位，各螺柱起裂源区宏观观察未见明显的异常特征。

2.3 断口微区观察与分析

利用扫描电子显微镜对EPRV 阀螺柱断口进行微观形貌分析，断口的裂源区较为平坦，未见沿晶断裂、夹杂物及严重机械损伤等明显异常；扩展区可以观察到明显的疲劳条带；瞬断区呈现准解理断裂特征。

2.4 化学成分检测与分析

按照《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》GB/T 4336—2016要求，利用SPECTROMAXx 型台式直读光谱仪对断裂的EPRV 阀螺柱进行化学成分分析，检测结果（如表1 所示）显示，EPRV 阀螺柱的各元素含量均符合ASTM A193/A193M 标准对SA193-B16 材料的技术要求。

表1 EPRV 阀螺柱SA193-B16 材料化学成分检测结果单位：%

2.5 显微组织检测与分析

按照《火电厂金相检验与评定技术导则》DL/T 884—2019 要求，利用Axio Observer.Alm 型金相显微镜对断裂的EPRV 阀螺柱进行显微组织检测。结果显示，螺柱断口起裂于螺纹牙底部，起裂区未见淬火裂纹、锻造缺陷、沿晶断裂及夹杂物等异常组织或缺陷；螺柱的表层螺纹处的组织及中间部位的组织均为回火索氏体+少量铁素体，整体淬透性较差。此外，螺柱组织整体沿轴向的带状偏析严重，螺纹部位未见明显的脱碳层缺陷。

2.6 力学性能检测与分析

按照《金属材料布氏硬度试验第1 部分：试验方法》GB/T 231.1—2009 的标准要求，利用THBC-3000DA 型图像处理式布氏硬度计对EPRV 阀螺柱进行硬度测试，以确定螺柱的硬度是否符合标准要求；按照《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》GB/T 228.1—2010 的标准要求，利用CMT5305型电子万能试验机对断裂的EPRV 阀螺柱进行拉伸试验，以确定其各项常温拉伸性能是否符合标准要求；按照《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》GB/T 229—2007 的标准要求，利用ZBC-300B 型数字冲击试验机对EPRV 阀螺柱取样进行冲击试验，确定其韧性是否良好。力学性能的各项内容检测结果如表2 所示。

表2 EPRV 阀螺柱的常温力学性能测试结果（20 ℃）

由表2 可以看出，EPRV 阀螺柱的屈服强度、抗力强度、断后伸长率及硬度均符合ASTM A193/A193M 标准的要求；韧性标准中未做要求，但其实测冲击吸收功为132 J，说明螺柱材料的韧性是优良的。

3 结果与分析

从断口形貌分析，EPRV 阀螺柱均断裂于自钢性杆向螺纹部位过渡的第1～2 扣螺纹的牙底部，断口呈现较为典型的拉—压型疲劳断裂特征，起裂源位于边缘的螺纹牙底部位，各螺柱起裂源区宏观观察未见明显的异常特征[1]。

从化学成分分析，EPRV 阀螺柱的化学成分均符合ASTM A193/A193M 标准的要求，排除错用材质的情况。

从金相组织分析，EPRV 阀螺柱组织均为回火索氏体+少量铁素体，整体淬透性较差，沿轴向的带状偏析严重，螺纹部位未见明显的脱碳层缺陷。

从力学性能分析，EPRV 阀螺柱常温的强度、塑性、硬度及韧性均符合标准要求，且强韧性搭配良好。

从受力工况分析，EPRV 阀螺柱在运行过程中随着EPRV 阀的开闭动作，主要承受静态拉—压载荷和动态的瞬间冲击载荷。

从材料选用角度分析，ASTM A193/A193M 标准中未给出SA193-B16 材料的推荐使用温度。国内的《火力发电厂金属材料手册》中给出的与SA193-B16 材料成分相近的45Cr1MoV 钢的推荐使用温度为450 ℃以下，45Cr1MoV 钢的C、Cr 和Mo 元素的含量均略高于SA193-B16 材料，说明SA193-B16 材料的热强性略低于45Cr1MoV 钢。因此，可以推断SA193-B16 材料的使用温度也不应高于450 ℃，而实际锅炉高温过热器出口蒸汽的温度为571 ℃，远高于该材料的允许使用温度[2]，在超过其允许使用温度的环境下长期使用必将造成螺柱的强度低于设计的高温强度要求，进而会严重降低螺柱材料的疲劳极限，使螺柱的疲劳抗力严重不足。在EPRV 阀体频繁开闭形成的交变冲击载荷作用下，必然会在应力集中的螺纹牙底形成的缺口效应区产生疲劳开裂，进而引发螺柱的断裂失效。

综合考虑1 号锅炉自7 月20 日开始整套启动以来，调试期间EPRV 阀启动次数较多，至9 月20日为止，锅炉左右两侧过热蒸汽EPRV 阀各起跳49 次之多，起跳压力从1～25 MPa 不等，由于EPRV阀门为截止阀，在起跳过程中阀体上部会受到过热蒸汽的冲击和压力，这些压力全部由阀体螺柱来承担，造成螺柱频繁受到交替轴向拉力；在过热蒸汽温度高达560 ℃的情况下，螺柱的使用工况十分恶劣，同时由于EPRV 阀排气管道为水平排出，在排气时阀体会受到蒸汽水平方向的反向作用力，螺柱受到径向剪切力，在较多次的拉力和剪切力作用下，加快了螺柱的断裂。

考虑到EPRV 阀为锅炉动力驱动泄放阀，在锅炉系统超压时才需要打开向外排放蒸汽，降低系统压力，为锅炉提供超压保护，并不能作为锅炉正常泄压的途径。所以，除异常及事故工况除外，正常参数调整中严禁使用EPRV 阀泄压，像1 号机组EPRV 阀这样在调试期间频繁起跳，对阀体及相关部件的影响较大[3]。

4 结论及建议

4.1 结论

综合以上分析，1 号锅炉过热器出口EPRV 阀螺柱断裂的主要原因为：EPRV 阀阀体连接螺柱选材等级偏低，所用的SA193-B16 材质螺柱不能满足设计温度下的强度极限及疲劳极限的要求，在锅炉运行过程中EPRV 阀开闭，在形成的交变拉—压冲击载荷作用下，在应力集中的螺纹牙底部形成的疲劳开裂并扩展导致螺柱断裂失效。