某热电厂压力阀门断裂失效分析

郑文祥

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院, 安徽 合肥 230011)

0 引言

压力阀门在压力管道系统中一般起到控制压力管道开闭、压力调节等作用，对管道的正常运行具有重要影响。此外，电站用压力阀门是一种结构较为复杂的部件，在组合、安装的过程中容易出现泄露、失效等问题[1]。

某热电厂1号汽机排汽至中压供热蒸汽母管，蒸汽压力一次阀门在运行一段时间后发生断裂失效。该阀门尺寸为DN10 mm，材质为304SS，对应NB/T 47010-2017[2]中的07Cr19Ni10，为18Cr- 8Ni型奥氏体耐热钢，具有持久强度高、抗蒸汽氧化及高温烟气腐蚀性能优异的特点，冷变形能力、焊接性能良好[3]。根据相关资料，与阀门连接的排汽管内介质最高温度370 ℃，最高压力2.6 MPa。

1 理化检验

1.1 宏观分析

图1为来样阀门的宏观形貌，由图1(a)可知，阀门在螺纹连接件螺纹末端发生断裂。图1(b)显示断口平整，无明显塑性变形，宏观上属于脆性断裂[4,5]。图1(b)中白色圆环状区域内(图中箭头1)可见明显磨损痕迹，当阀门处于工作状态时，图中螺母状连接件(白色虚线所在平面)向下旋紧与图1(a)中的方形阀门主体相互接触。受紧固力矩作用，断裂位置存在较大的应力[6]。

(a)宏观图片 (b)断口形貌图1 阀门宏观形貌

1.2 成分分析

采用XL2980型便携式X射线荧光光谱仪对来样阀门的主要合金元素含量进行测试，结果见表1。结果显示来样阀门的主要合金元素含量符合NB/T 47010-2017中07Cr19Ni10不锈钢的要求。

表1 来样阀门光谱分析结果 单位：wt%

1.3 显微组织分析

从断口附近切取金相试样，经磨制抛光后，采用氯化铁盐酸溶液腐蚀，在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相显微镜下观察金相试样的组织形态,图2为来样阀门断口附近的金相组织照片。

(a)断口及断口附近组织12.5× (b)A位置组织200×

(c)B位置组织200× (d)C位置组织200×

(e)远离断口处组织500×

图2(a)可见断口处裂纹向外与变截面相连，向内与螺纹根部相连，宽约3 mm，断口较为平整。图2(b)～(d)为断口近外表面组织，可见断口附近组织中奥氏体晶界较宽，晶界处存在颗粒状析出相呈半连续状分布，裂纹沿晶界扩展。图2(c)显示裂纹扩展区部分位置存在二次裂纹，二次裂纹呈沿晶扩展倾向，与主裂纹呈约45°方向由外壁向内壁方向扩展。图2(e)显示远离断口处的组织中奥氏体晶界宽化，晶界处存在颗粒状析出相呈半连续状分布。阀门断口附近和心部组织中均存在呈带状分布的轧制条带。

1.4 硬度分析

利用台式布氏硬度计，施加187.5 kgf载荷，15 s保载时间，对备品阀门和断裂阀门进行布氏硬度检验，见表2所示，结果表明断裂阀门和备品阀门硬度均远高于标准要求的上限。

表2 布氏硬度试验结果

1.5 扫描电镜及能谱分析

利用蔡司Sigma300热场发射扫描电子显微镜对断裂位置进行显微组织观察和断口分析。

图3为断口附近扫描电镜形貌，由图3(a)可见断口外表面附近奥氏体晶界明显宽化，图3(b)显示晶界位置分布有颗粒状析出相。对图3(b)中的A(晶界)、B(基体)、C(晶界)位置进行能谱分析，结果见表3。能谱测试结果可见奥氏体晶界位置存在以铬(Cr)为主要合金元素的碳化物。

(a)断口外表面附近显微组织300× (b)断口靠近外表面附近高倍形貌3000×图3 断口附近金相扫描图片

表3 能谱测试结果 单位：wt%

图4为来样阀门的断面扫描照片，由图4(a)、(b)可见主断口整体呈现出冰糖状形貌，符合沿晶断裂断口特征[7]，其中图4(b)显示阀门断口外表面附近存在大量沿晶界分布的二次裂纹，晶界结合强度较差。

(a)断面形貌38× (b)外表面附近形貌300×图4 断口形貌图片

2 试验结果分析

失效压力阀门的化学成分符合相关标准的要求，但硬度远高于标准要求；金相图片可见阀门组织中存在轧制条带，主裂纹沿晶扩展，附近奥氏体晶界明显宽化，部分碳化物呈半连续或连续状分布在奥氏体晶界上；断口分析显示阀门呈脆性沿晶开裂，说明阀门的韧性较差。

奥氏体不锈钢成型后需要进行固溶处理，将材料加热到1 100 ℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳(C)固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态(此时组织中的碳处于稳定状态，不会再与Cr形成高铬碳化物)，起到强化固溶体，并提高韧性和抗蚀性能、消除应力的作用。根据NB/T 47010-2017及相关文献[8]，07Cr19Ni10锻后需进行固溶处理，且固溶处理完成后其组织应为等轴晶，不得出现带状组织。本次检验的阀门中出现了大量沿晶界分布的高铬碳化物，Cr与C的结合并析出降低了基体中的溶解量，固溶强化效果减弱；同时高铬碳化物在奥氏体晶界位置的析出导致基体连续性变差，造成基体的韧性降低。根据来样阀门断口特征，结合金相及扫描电镜分析，判断来样阀门材料未进行固溶热处理或者固溶热处理不当，导致了材料性能不能满足使用要求。

来样阀门裂纹产生于结构中最为薄弱的部位，其有效结合厚度仅有3 mm，并且外表面为变截面，同时断裂位置受紧固力矩作用，应力集中明显。根据二次裂纹的走向和断口附近组织可以判断裂纹起源于连接位置的外表面，由于材料力学性能较差，裂纹产生后快速沿晶扩展，最终贯穿内外壁发生断裂。

3 结论与建议

(1) 来样阀门由于未进行固溶处理或者固溶处理不当，导致金相组织中存在轧制条带，硬度远高于标准要求。

(2) 阀门安装过程中受紧固力矩作用，结构中的变截面位置存在应力集中。此外，阀门服役过程中高温蒸汽的压力变化使得应力集中部位承受了额外的附加应力，导致裂纹在变截面位置产生，而后快速沿晶扩展，造成阀门断裂失效。

(3) 建议加强入场材料的验收管理，根据NB/T 47010-2017选取合适的非破坏性验收方法，保证阀门所用材料符合要求。

(4) 建议规范阀门的紧固工艺，严格按照规定的力矩紧固。