牛安平
辽宁大唐国际沈东热电有限责任公司
摘要：通过宏观检查，成分分析，硬度检测和金相分析等技术手段对某火电厂对机组给水泵汽轮机调节汽阀阀杆断裂原因进行分析。结果表明失效原因是由于调节汽阀阀杆退刀槽位置存在加工刀痕，表面粗糙度大，在机组运行过程中，阀杆在长期循环拉应力作用下，在应力集中最大的根部倒角位置产生疲劳裂纹，裂纹不断扩展，最终发生断裂。
关键词：调节汽阀阀杆 断裂 失效
1 背景资料
某火电机组为600MW亚临界机组，锅炉为上海锅炉厂引进美国CE公司技术的基础上进行优化设计和制造；汽轮机由上海汽轮机厂设计生产，配置容量为30%最大连续出力的高、低压两级串级旁路系统；发电机是上海汽轮机厂配套生产的QFSN-600-2型隐极式、二极三相同步发电机；汽动给水泵汽轮机为杭州汽轮机股份有限公司引进西门子给水技术设计、制造生产的NK63/71/0型汽轮机。
本次断裂的是汽动给水泵汽轮机调节汽阀阀杆。该汽动给水泵汽轮机为杭州汽轮机股份有限公司生产制造，产品型号NK63/71/0。断裂阀杆设计材质为2Cr12MoV，且经渗氮工艺处理。实际工作温度：380℃，工作压力：1.0MPa。机组累计小时约4万小时，累计启停次数56次。
2试验过程与结果
2.1 宏观检查
对失效阀杆进行宏观检查，如图1（a）所示。从图中发现，断裂阀杆根部存在长度约10mm退刀槽，加工刀痕痕迹明显（图1c）。图1（b）为断口宏观形貌，从图中可以看出断口左侧区域（A、B两区）截面相对平滑，无明显锈层，但并不光亮，约半圆为疲劳孤带区，证明此处是先断裂区，即疲劳裂纹源区（A）和裂纹扩展区（B）。C区断口粗糙，有金属光亮，为瞬时静断区，通过断口分析可以确定整体断裂形式属于应力疲劳脆性断裂。从图1（d）可以看出，阀杆根部倒角圆弧过小（小于5mm），为应力集中严重位置。
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图1 失效阀杆的宏观形貌（a）、（b）及放大形貌（c）、（d）。
2.2 成分分析
对断裂阀杆进行光谱成分分析，分析结果如表1所示。通过所测数据可知，阀杆材质主要合金元素含量与标准 (GB/T 8732-2014)中的2Cr12MoV成分相符。
表1 成分分析表
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2.3 硬度检查
对断裂阀杆母材、渗氮层硬度进行检查。其中，母材硬度为263 HB，符合GB/T 8732-2014标准的要求（241-285 HB）；渗氮层硬度为644 HB，符合渗氮工艺硬度要求。
2.4 金相检查
对断裂阀杆截面进行金相检查，结果如图2所示，从图（a）中可以看出阀杆金相组织为回火马氏体，组织正常。对阀杆根部截面边缘进行金相组织检验,发现多处与受力方向垂直的裂纹，最长裂纹长度约为400 μm，如图2（b）所示。作为比较，对阀杆远离断口处的边缘位置进行金相组织检验，并未发现裂纹，具体如图2（c）所示。
阀杆根部附近和阀杆中部的渗碳层厚度的检查结果如图2（d）、（e）所示。从图中可以看出，阀杆根部附近的渗碳层厚度为281.14 μm，明显高于阀杆中部位置（120～221.55 μm）。这是由于摩擦工况，阀杆中部磨损要比根部严重造成。
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图2 阀杆金相组织图
3 原因分析
通过以上试验证明，阀杆材料的化学成分、组织及硬度值均正常。但阀杆根部退刀槽位置存在明显加工刀痕，并且根部倒角圆弧过小（小于5mm），使该部位存在较大应力集中。在外加循环拉应力作用下，应力集中位置即加工刀痕和倒角位置会首先萌生疲劳裂纹，根部倒角位置由于应力集中现象最为明显，裂纹扩展速度也最快，随着阀杆反复升降及振动，倒角裂纹在外力的长期作用下最先开始向内部扩展，最终导致阀杆断裂。
4 结论
本次断裂的水泵汽轮机调节汽阀阀杆化学成分、显微组织和硬度均正常。但由于阀杆根部退刀槽位置存在明显加工刀痕，且根部过渡圆弧过小（小于5mm），造成应力集中。机组运行过程中在长期循环拉应力作用下，应力集中位置最终产生疲劳裂纹并发生断裂失效。
5 建议
5.1在机组停运或检修期间应加强对该小型汽轮机排汽蝶阀密封面进行检查。
5.2建议对调节阀阀杆退刀槽遗留刀痕进行打磨处理，增加表明光洁度，同时适当增加阀杆根部过渡圆弧半径。