300MW汽輪機(jī)高壓主汽閥閥桿斷裂原因分析
通過化學(xué)成分分析、斷口分析、金相分析、電子顯微分析和能譜分析,確定了某300MW汽輪機(jī)1號(hào)高壓主汽閥閥桿斷裂的原因,為錯(cuò)用了25Cr2MoVCu鋼,而非設(shè)計(jì)的2Cr12NiMoWV鋼所致。過高的淬火溫度造成組織粗大,晶粒度達(dá)到4級(jí),且存在富銅相、帶狀組織和大量夾雜物,使鋼產(chǎn)生較大脆性。在淬火過程中,組織應(yīng)力和熱應(yīng)力使彈簧內(nèi)孔根部產(chǎn)生應(yīng)力集中,致使形成淬火裂紋,閥桿啟閉產(chǎn)生的應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展,最終引起閥桿斷裂。
某電廠300MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組型號(hào)為M300-16.7/538/538,額定主汽壓力為16.67MPa,額定主汽溫度為538℃,累計(jì)運(yùn)行20566h后,在第一次A級(jí)檢修后的開機(jī)過程中,發(fā)現(xiàn)2號(hào)高壓閥門在帶高負(fù)荷時(shí)波動(dòng)較大,一側(cè)高壓配汽機(jī)構(gòu)的1、3、5號(hào)高壓導(dǎo)管壓力異常。對(duì)1號(hào)高壓主汽閥和其后部所連接的1、3、5號(hào)高壓調(diào)速汽閥進(jìn)行帶負(fù)荷試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)負(fù)荷沒有變化,據(jù)此推斷認(rèn)為,1號(hào)高壓主汽閥閥芯可能出現(xiàn)開關(guān)故障。停機(jī)后對(duì)1號(hào)高壓主汽閥進(jìn)行解體檢查,發(fā)現(xiàn)閥桿在應(yīng)力集中的預(yù)啟閥部位發(fā)生了斷裂,并在同一斷裂層含有新舊兩部分?jǐn)嗪邸榉治龃_定該主蒸汽閥閥桿斷裂的原因,進(jìn)行了化學(xué)成分分析、斷口分析、金相分析、電子顯微分析和能譜分析。
1、化學(xué)成分測(cè)定
生產(chǎn)制造廠家提供的設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)明,該閥桿材料為2Cr12NiMoWV馬氏體不銹鋼,熱處理制度為調(diào)質(zhì)。2Cr12NiMoWV鋼是強(qiáng)化的12%Cr型馬氏體耐熱不銹鋼,其合金元素Cr、W、Mo含量略高,缺口敏感性小,具有良好的減震性和抗松弛性,綜合性能較好,國標(biāo)GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》要求的化學(xué)成分見表1所列。從主蒸汽閥閥桿端部割取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,其化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果見表1所列。
閥桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
對(duì)比表1的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),閥桿的實(shí)際化學(xué)成分與2Cr12NiMoWV鋼(國標(biāo)GB/T20878—2007)的化學(xué)成分完全不符,其主加元素Cr的含量僅為1.62%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求的11%~13%,Si、Mn、Ni、Mo、V、W含量均低于國標(biāo)要求,而且,有0.14%的Cu元素,而2Cr12NiMoWV鋼中不含Cu元素。根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果判斷,該閥桿用鋼僅相當(dāng)于25Cr2MoVCu鋼,并不是2Cr12NiMoWV鋼,因此,該閥桿屬于錯(cuò)用鋼材。
2、斷裂閥桿的斷口特征
2.1、斷口的宏觀特征
閥桿斷裂發(fā)生于預(yù)啟閥部位,斷口位于閥桿的變徑處和彈簧內(nèi)孔根部處,如圖1。在斷口附近切割取樣后,發(fā)現(xiàn)在彈簧內(nèi)孔根部處有多條裂紋,如圖2(a)。從裂紋及斷裂特征看,裂紋及斷裂位于閥桿變徑處和內(nèi)孔根部的應(yīng)力集中部位。斷口如圖2(b),具有以下宏觀特征:
圖1 斷裂后的閥桿
圖2 彈簧內(nèi)孔根部裂紋(a)及閥桿斷口的宏觀形貌(b)
1)斷口為粗糙顆粒狀,無明顯塑性變形,屬脆性斷裂。
2)斷口有明顯的四個(gè)區(qū)域,兩個(gè)區(qū)域具有明顯的氧化和腐蝕現(xiàn)象,呈暗紅色,說明裂紋早已形成,在運(yùn)行中不斷擴(kuò)展,不斷被氧化和腐蝕。另外有兩個(gè)白亮區(qū),屬最終斷裂區(qū)。暗紅區(qū)域要大于白亮區(qū)域,說明裂紋擴(kuò)展過程所受應(yīng)力不是很大,屬于緩慢擴(kuò)展過程。
3)斷面上有臺(tái)階。臺(tái)階是變徑處表面裂紋在向內(nèi)擴(kuò)展過程中與彈簧內(nèi)孔根部裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展連通造成的,說明斷裂過程中,既有變徑處表面形成裂紋并擴(kuò)展,又有彈簧內(nèi)孔根部裂紋的擴(kuò)展。
由圖2(a)可以看出,彈簧內(nèi)孔根部處圓弧過渡不光滑,過渡半徑R值偏小,微裂紋起源于此處。圓弧過渡偏小會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,是產(chǎn)生開裂的一個(gè)原因。
2.2、斷口微觀分析
在掃描電鏡下對(duì)斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3,(a)~(c)為不同倍數(shù)下的斷口形貌特征,(d)為掃描電鏡背散射形貌特征。由圖3(a)~(c)可見,斷口上有明顯的氧化物附著,這是由于閥桿斷裂后,經(jīng)受了一定時(shí)間的高溫高壓水蒸汽氧化所造成。但是,即使有氧化物,也依然顯示出顯著的冰糖狀特征,表現(xiàn)出典型的沿晶斷裂特征。由斷口的微觀形貌特征斷定,該閥桿的斷裂為沿晶脆性斷裂。圖3(d)的掃描電鏡背散射顯示,基體中有大量塊狀白亮相。對(duì)塊狀白亮相進(jìn)行電子探針測(cè)定,發(fā)現(xiàn)該相為富Cu相,Cu含量高達(dá)15%以上,如表3所列,如圖4所示。銅在鋼中溶解度極小,通常以游離聚集態(tài)存在,顯著增加鋼的脆性,特別是以塊狀形態(tài)存在時(shí),極易引起脆性斷裂。
3、金相組織分析
從斷口部位取樣進(jìn)行金相組織觀察分析,結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示,①該閥桿的金相組織為板條馬氏體組織+少量粒狀貝氏體,晶粒度評(píng)級(jí)為4級(jí),晶粒粗大,如圖5(a)。②存在帶狀組織。帶狀組織是在軋制過程中形成的,在調(diào)質(zhì)之前若沒有進(jìn)行正火處理,在調(diào)質(zhì)后會(huì)依然保留。存在帶狀組織說明,該閥桿的熱處理工藝亦存在缺陷,如圖5(b)。③鋼中存在大量夾雜物,呈帶狀分布,如圖5(c),說明該閥桿存在冶金質(zhì)量問題。在進(jìn)行金相組織觀察時(shí),發(fā)現(xiàn)多條微裂紋,見圖6(a)、(b)。各條裂紋均位于圓弧角應(yīng)力集中部位,起源于表面,向基體擴(kuò)展,呈現(xiàn)顯著的沿晶擴(kuò)展特征。這說明,該彈簧內(nèi)孔根部裂紋應(yīng)產(chǎn)生于淬火過程中,而不是運(yùn)行過程中。
圖3 斷口的掃描電鏡形貌
(a~c)掃描電鏡照片;(d)背散射形貌特征
圖4 閥桿斷口處的富銅相
表3 斷口能譜分析結(jié)果
圖5 斷裂閥桿基體金相組織 ×100
(a)基體組織;(b)帶狀組織;(c)夾雜物
圖6 閥桿斷裂部位的裂紋 ×100
4、斷裂原因分析
根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果可知,該閥桿選用的鋼材僅相當(dāng)于20Cr2MoVCu鋼,并非2Cr12NiMoWV鋼,屬于錯(cuò)用鋼材。2Cr12NiMoWV鋼的淬火溫度為1020~1070℃,而根據(jù)含碳量及Cr含量估算,該閥桿用鋼(相當(dāng)于20Cr2MoVCu鋼)的淬火溫度僅為840~860℃,如果在1020~1070℃淬火,晶粒會(huì)顯著粗化,得到粗晶組織,脆性增加。在淬火時(shí),由于較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力,在應(yīng)力集中的部位很容易導(dǎo)致淬火裂紋。該閥桿的外側(cè)變徑處和彈簧內(nèi)孔根部,均易引起應(yīng)力集中,而且還存在帶狀組織、含有大量夾雜物和富銅相、彈簧內(nèi)孔根部過渡圓弧R值偏小等缺陷,因此,在淬火過程中,組織應(yīng)力和熱應(yīng)力引起了彈簧內(nèi)孔根部的沿晶開裂,形成多條裂紋。在運(yùn)行過程中,閥門啟閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力,并在閥桿變徑處產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。由于閥桿為粗晶及帶狀組織,并存在大量帶狀分布的夾雜物和塊狀富銅相,導(dǎo)致了基體極大的脆性。這種情況下,應(yīng)力集中足以使閥桿在外側(cè)變徑處表面產(chǎn)生裂紋。閥門不斷啟閉產(chǎn)生的應(yīng)力,促進(jìn)裂紋的不斷擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到與彈簧內(nèi)孔根部的裂紋接近時(shí),就產(chǎn)生連通,形成臺(tái)階,最終導(dǎo)致斷裂。在裂紋擴(kuò)展過程中,一直伴隨有高溫高壓水蒸汽氧化,使斷口產(chǎn)生氧化,形成大量氧化物。
5 、結(jié)論
1)該閥桿用鋼僅相當(dāng)于20Cr2iMoVCu鋼,并非設(shè)計(jì)要求的2Cr12NiMoWV鋼,屬于錯(cuò)用鋼材。
2)該鋼基體組織為板條馬氏體組織+少量粒狀貝氏體,晶粒度為4級(jí),晶粒粗大,且含有大量富銅相,存在帶狀組織和大量夾雜物,存在冶金質(zhì)量問題。
3)彈簧內(nèi)孔根部過渡圓弧R值偏小,且不平整,引起較大應(yīng)力集中。
4)彈簧內(nèi)孔根部的裂紋是淬火裂紋,屬工藝裂紋,是由于淬火溫度過高造成晶粒粗大并產(chǎn)生脆性和應(yīng)力集中所致。