摘 要:某汽輪機蒸汽調節閥桿在拆機檢測時發生斷裂,通過宏觀觀察、化學成分分析、力學性 能試驗、斷口分析、能譜分析、顯微組織觀察和硬度試驗等方法,分析了閥桿斷裂的原因。結果表 明:閥桿在蒸汽輸入口處早已存在腐蝕坑與應力腐蝕裂紋,根據閥桿的使用環境與實際使用情況判 斷,認為閥桿是在停機檢測時發生了一次性脆性斷裂。
關鍵詞:閥桿;腐蝕坑;應力腐蝕
中圖分類號:TG144 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0027-03
失效件為某機組汽輪機蒸汽調節閥桿,機組在 高負載工況下運行后,拆機檢測時發現閥桿已斷裂, 其材料為25Cr2Mo1VA-5+6鋼。閥桿端頭在裝置 聯動作用下沿軸向反復運動,服役環境為300 ℃/ 3.7MPa高溫高壓蒸汽,最高溫度壓力為415 ℃/ 5.6MPa。斷裂閥桿所在機組由于并聯的機組逆功 率運行,功率從590kW 升高至2000kW,汽輪機 轉速在3s內由9975r/min升高至10366r/min, 該機組在2000kW 功率條件下運行約40s后,恢 復至1500kW 以下,又在600kW 功率條件下運行 20min后,解列至空載運行狀態,在工作1.5d后的 停機期間,機組并網一次,時間為20~30min,機組 轉速正常,最后在拆機檢修時閥桿發生斷裂。筆者 通過一系列的理化檢驗,分析了閥桿斷裂的主要原 因,以避免同類事故的再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂閥桿以及同批次使用的未斷裂閥桿的宏觀 形貌見圖1。閥桿斷口的宏觀形貌見圖2a)。由圖 2a)可見,斷口整體較為平整、潔凈,呈亮金屬色,未 見異物覆蓋,斷面與軸向垂直,整體未見明顯塑性變形,斷面較為粗糙,呈外力作用下一次性脆性斷裂的 宏觀形貌特征。閥桿表面的宏觀形貌見圖2b)。由 圖2b)可見,閥桿表面存在磨損痕跡,磨損痕跡邊緣 存在明顯輪廓,該位置恰好為橫向蒸汽輸入口。
1.2 化學成分分析
在斷裂閥桿上取樣,對其進行化學成分分析, 其化學成分實測值與 GB/T3077-2015《合金結 構鋼》中對25Cr2Mo1V鋼的化學成分的技術要求 見表1,可 知 該 斷 裂 閥 桿 的 化 學 成 分 滿 足 技 術 要求。
1.3 力學性能試驗
從未斷裂閥桿上截取試樣進行拉伸試驗,在斷裂 閥桿上取樣進行沖擊試驗,力學性能實測值與 GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中對25Cr2Mo1V鋼的力學 性能技術要求見表2,可知其力學性能滿足要求。
1.4 斷口分析
將閥桿斷口和閥桿表面置于掃描電鏡(SEM) 下進行觀察。由圖3可見:斷口主要呈準解理+韌 窩的形貌特征,進一步放大觀察發現,斷口呈外力作 用下發生一次性斷裂的微觀形貌特征;閥桿表面磨 損處可見與斷口大致平行的微裂紋。
1.5 能譜分析
在閥桿斷口處取樣,經鑲嵌、磨拋后,置于掃描 電鏡下觀察。由圖4可見,閥桿表面存在多個腐蝕 坑,可見1條起源于腐蝕坑且與主裂紋大致平行的 微裂紋。對圖4方框中的腐蝕坑處和微裂紋處的腐 蝕產物進行能譜分析。由表3可知,腐蝕產物中存 在含量較高的硫元素,說明閥桿服役環境中存在該 元素。
1.6 顯微組織觀察
從閥桿斷口處截取剖面試樣,經化學試劑浸蝕 后進行觀察。由圖5可見,閥桿表面組織為含氮索 氏體+組織,閥桿心部顯微組織為回火索氏體。
1.7 硬度試驗
將磨拋后的閥桿斷口剖面試樣置于顯微硬度 計上,采用2.907N的試驗力測試試樣心部的顯微 硬度,其硬度為256,258,262 HV0.3,平均值為 259HV0.3。采用維氏硬度在試驗力為2.907N 下,分別檢測閥桿斷裂位置附近與遠離斷口處的 氮化層深度,根據 GB/T11354-2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》,從試樣表面測 至比基體維氏硬度值高50HV0.3(即309HV0.3) 處的垂直距離為滲氮層深度,結果見表4。由表4 可見,斷裂位置附近與遠離斷口處的氮化層深度 無明顯差異,距閥桿表面0.1mm 處的硬度值無明 顯差異。
2 分析與討論
通過理化檢驗結果可知,斷裂閥桿的化學成分與力學性能均符合相關技術要求,其顯微組織未見 異常。
閥桿的斷口宏觀形貌具有外力作用下一次性脆 性斷裂的宏觀形貌特征,閥桿斷口的微觀形貌具有 外力作用下一次性脆性斷裂的微觀形貌特征,與宏 觀觀察結果相符。分析認為閥桿的斷裂性質為在外 力作用下發生的一次性斷裂。
閥桿表面可見磨損痕跡,從閥桿的使用情況與 結構分析,認為該磨損為與橫向蒸汽孔邊緣處的磨 損。在該處截取剖面試樣,可見閥桿表面存在腐蝕 坑,腐蝕坑處存在與斷口大致平行的向材料內部擴 展的微裂紋,微裂紋內可見腐蝕產物。在腐蝕產物 中檢測到腐蝕性硫元素,說明閥桿使用環境中的高 溫蒸汽含有腐蝕性介質,閥桿在蒸汽輸入口處最先 接觸到腐蝕性介質,導致該處發生腐蝕,形成腐蝕 坑,并在腐蝕性介質與工作應力共同作用下形成應 力腐蝕裂紋。
閥桿所在機組在較高負載情況下工作1.5d后 進行拆機檢測,如果閥桿在電機發生異常后馬上斷 裂,那么電機會馬上停止運作,并且斷口會在高溫蒸 汽與腐蝕性介質共同作用下發生氧化腐蝕。而從斷 口的宏觀與微觀形貌來看,斷面較為潔凈,呈亮金屬色,整體未見異物覆蓋,說明斷口沒有發生氧化腐 蝕,從而判斷閥桿是在系統停機后進行拆機檢測時 發生的一次性斷裂。
3 結論及建議
(1)閥桿的化學成分符合相關技術要求,顯微 組織未見異常。
(2)通過理化檢驗和閥桿的使用工況,綜合分 析認為,閥桿是在系統停機后進行拆機檢測時發生 了一次性脆性斷裂。
(3)閥桿在蒸汽輸入口處存在腐蝕坑與應力腐 蝕裂紋,產生應力集中,導致閥桿在拆解時發生 斷裂。
(4)優化拆機檢查方法,避免拆解時損壞樣品, 盡量避免電機在過載情況下運行,控制使用環境中 的腐蝕性元素含量。
參考文獻:
[1] 任耀劍,張緒平,孫智.25Cr2Mo1V 鋼在高溫服役中 的組織和性能研究[J].徐州建筑職業技術學院學報, 2009,9(2):41-43.