圖 1 中壓調(diào)速汽門門桿斷裂位置示意
分享：某電廠中壓調(diào)速汽門2Cr12NiMo1W1V鋼門桿斷裂原因
火電廠調(diào)速汽門是控制汽輪機轉(zhuǎn)速和輸出功率的閥門,門桿是調(diào)速汽門的重要組成部分,在工作過程中,主要是通過執(zhí)行機構(gòu)帶動門桿來調(diào)整門芯的位置,控制調(diào)門的開啟和閉合,改變進入汽缸的蒸汽量,從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制[1-4]。調(diào)速汽門的運行工況復(fù)雜、惡劣,經(jīng)常會發(fā)生門桿斷裂事故[5-6]。2Cr12NiMo1W1V鋼是馬氏體不銹鋼,Cr元素質(zhì)量分數(shù)為12%左右,具有良好的常溫和高溫力學性能,缺口敏感性小,減震性及抗松弛性能良好,常用于制造汽輪機葉片、高溫螺栓及閥桿等[7-8]。在門桿制造過程中,廠家為提高門桿的耐磨性能和整體抗疲勞性能,一般會在表面熱處理時對其進行表層滲氮處理,但有研究表明,部分門桿斷裂是由滲氮工藝控制不當引起的[9]。
某電廠300 MW亞臨界機組汽輪機在機組停備啟機過程中,右側(cè)中壓調(diào)速汽門門桿發(fā)生斷裂現(xiàn)象,門桿材料為2Cr12NiMo1W1V鋼。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對門桿斷裂原因進行分析,以避免門桿再次斷裂。
1. 試驗過程與結(jié)果
1.1 宏觀觀察
中壓調(diào)速汽門門桿斷裂位置如圖1所示。斷裂部位處于門桿靠近頭部位置應(yīng)力最為集中的兩個十字相交的漏氣平衡孔之間,失效位置的兩組漏氣平衡孔之間的最小距離僅約為8 mm,截面積較小。斷口呈深灰色,有高溫氧化特征,斷口表面存在河流花樣,有典型的脆性斷裂特征。斷裂起源于漏氣平衡孔的孔壁,裂紋由平衡孔向兩側(cè)擴展。門桿斷口宏觀形貌如圖2所示。
圖 2 門桿斷口宏觀形貌
1.2 化學成分分析
在斷裂門桿上截取試樣,用直讀光譜儀對試樣進行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：門桿化學成分中的各元素含量均符合DL T 439—2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》對2Cr12NiMo1W1V鋼的要求。
Table 1. 門桿的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | W | V | Cu | |
| 實測值 | 0.22 | 0.21 | 0.92 | 0.011 | 0.005 | 0.95 | 12.40 | 0.91 | 1.16 | 0.29 | 0.08 |
| 標準值 | 0.20~0.25 | ≤0.50 | 0.50~1.00 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.50~1.00 | 11.00~12.50 | 0.90~1.25 | 0.90~1.25 | 0.20~0.30 | ≤0.25 |
1.3 力學性能測試
在斷裂門桿上取樣,對試樣進行拉伸試驗、沖擊試驗及硬度測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂門桿的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率及布氏硬度均符合標準要求,斷后伸長率、沖擊吸收能量低于標準要求,表明門桿的韌性較差。
Table 2. 斷裂門桿力學性能測試結(jié)果
| 項目 | 規(guī)定非比例延伸強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷面收縮率/% | 沖擊吸收能量/J | 硬度/HB |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 804 | 1 015 | 11.0 | 34.5 | 10 | 297 |
| 標準值 | ≥760 | ≥930 | ≥12 | ≥32 | ≥11 | 277~331 |
1.4 金相檢驗
在斷裂門桿上截取并制備試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：非金屬夾雜物級別為B1和D1,符合標準要求；門桿基體的顯微組織為正常回火馬氏體；門桿外表面、漏氣平衡孔壁和內(nèi)表面均進行了滲氮處理,按照GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》進行測試,測定滲氮層深度為0.21 mm；滲氮層內(nèi)多處位置存在裂紋,這些裂紋均起源于外表面,且向內(nèi)表面沿滲氮層擴展至門桿基體。
圖 3 斷裂門桿的微觀形貌
1.5 掃描電鏡及能譜分析
使用ZESS EV018型掃描電鏡及能譜儀對2Cr12NiMo1W1V鋼門桿基體組織和滲氮層進行分析,結(jié)果如圖4~6所示。由圖4~6可知：門桿基體組織為回火馬氏體,組織中未見δ鐵素體；滲氮層區(qū)域氮元素質(zhì)量分數(shù)可達13.89%；裂紋中間區(qū)域主要含Cr、O、Fe元素,不含N元素,其成分為鐵的氧化物,這表明裂紋是在門桿滲氮過程中或者滲氮結(jié)束后服役過程中產(chǎn)生的。
圖 4 基體SEM形貌及能譜分析結(jié)果
圖 5 滲氮層SEM形貌及能譜分析結(jié)果
圖 6 裂紋處SEM形貌及能譜分析結(jié)果
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知：斷裂位置為門桿兩個十字相交的漏氣平衡孔之間,間距較小,應(yīng)力集中顯著；斷口裂紋起源于漏氣平衡孔的孔壁,斷口表面存在河流花樣,屬于脆性斷裂；門桿的化學成分、抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率及布氏硬度均符合標準要求,而斷后伸長率、沖擊吸收能量均低于標準要求,這說明門桿的韌性較差,在沖擊載荷的作用下門桿容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。
對門桿進行滲氮處理主要是為了提高門桿的耐磨性能,只需要對門桿的外表面進行滲氮處理,不應(yīng)該對漏氣平衡孔壁等位置進行滲氮處理,因為這些位置是應(yīng)力集中的區(qū)域,如果門桿滲氮時不做防滲氮保護,應(yīng)力集中區(qū)域脆性增加,會加劇該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象[10-11]。從機組的運行情況來看,門桿在工作狀態(tài)下承受拉應(yīng)力,在機組啟停和調(diào)峰變載荷條件下,門桿還會受到汽流變化引起的交變沖擊載荷作用,在漏氣平衡孔應(yīng)力集中部位的滲氮層形成微裂紋,裂紋在應(yīng)力的作用下沿基體擴展直至斷裂。
3. 結(jié)論與建議
（1）中壓調(diào)速汽門2Cr12NiMo1W1V鋼門桿斷裂的主要原因是門桿的漏氣平衡孔未做防滲氮保護,使應(yīng)力集中位置的脆性增大,材料在交變載荷的作用下形成微裂紋,裂紋擴展至基體,最終導(dǎo)致門桿斷裂。
（2）門桿的斷后伸長率、沖擊吸收能量均低于標準要求,故其強度偏高,韌性較差,在一定程度上加速了裂紋的擴展。
（3）對中壓調(diào)速汽門門桿來說,在滲氮前應(yīng)對不需要做滲氮處理的位置進行防滲氮保護。
（4）建議電廠對其他門體門桿的相同部位進行排查,及時更換有裂紋存在的門桿。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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