分享：某汽轮机蒸汽调节阀杆断裂的原因

摘 要:某汽轮机蒸汽调节阀杆在拆机检测时发生断裂,通过宏观观察、化学成分分析、力学性 能试验、断口分析、能谱分析、显微组织观察和硬度试验等方法,分析了阀杆断裂的原因。结果表 明:阀杆在蒸汽输入口处早已存在腐蚀坑与应力腐蚀裂纹,根据阀杆的使用环境与实际使用情况判 断,认为阀杆是在停机检测时发生了一次性脆性断裂。 

关键词:阀杆;腐蚀坑;应力腐蚀 

中图分类号:TG144                        文献标志码:B                        文章编号:1001-4012(2021)11-0027-03

失效件为某机组汽轮机蒸汽调节阀杆,机组在 高负载工况下运行后,拆机检测时发现阀杆已断裂, 其材料为25Cr2Mo1VA-5+6钢。阀杆端头在装置 联动作用下沿轴向反复运动,服役环境为300 ℃/ 3.7MPa高温高压蒸汽,最高温度压力为415 ℃/ 5.6MPa。断裂阀杆所在机组由于并联的机组逆功 率运行,功率从590kW 升高至2000kW,汽轮机 转速在3s内由9975r/min升高至10366r/min, 该机组在2000kW 功率条件下运行约40s后,恢 复至1500kW 以下,又在600kW 功率条件下运行 20min后,解列至空载运行状态,在工作1.5d后的 停机期间,机组并网一次,时间为20~30min,机组 转速正常,最后在拆机检修时阀杆发生断裂。笔者 通过一系列的理化检验,分析了阀杆断裂的主要原 因,以避免同类事故的再次发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察

断裂阀杆以及同批次使用的未断裂阀杆的宏观 形貌见图1。阀杆断口的宏观形貌见图2a)。由图 2a)可见,断口整体较为平整、洁净,呈亮金属色,未 见异物覆盖,断面与轴向垂直,整体未见明显塑性变形,断面较为粗糙,呈外力作用下一次性脆性断裂的 宏观形貌特征。阀杆表面的宏观形貌见图2b)。由 图2b)可见,阀杆表面存在磨损痕迹,磨损痕迹边缘 存在明显轮廓,该位置恰好为横向蒸汽输入口。

1.2 化学成分分析 

在断裂阀杆上取样,对其进行化学成分分析, 其化学成分实测值与 GB/T3077-2015《合金结 构钢》中对25Cr2Mo1V钢的化学成分的技术要求 见表1,可 知 该 断 裂 阀 杆 的 化 学 成 分 满 足 技 术 要求。

1.3 力学性能试验 

从未断裂阀杆上截取试样进行拉伸试验,在断裂 阀杆上取样进行冲击试验,力学性能实测值与 GB/T 3077-2015《合金结构钢》中对25Cr2Mo1V钢的力学 性能技术要求见表2,可知其力学性能满足要求。

1.4 断口分析 

将阀杆断口和阀杆表面置于扫描电镜(SEM) 下进行观察。由图3可见:断口主要呈准解理+韧 窝的形貌特征,进一步放大观察发现,断口呈外力作 用下发生一次性断裂的微观形貌特征;阀杆表面磨 损处可见与断口大致平行的微裂纹。 

1.5 能谱分析 

在阀杆断口处取样,经镶嵌、磨抛后,置于扫描 电镜下观察。由图4可见,阀杆表面存在多个腐蚀 坑,可见1条起源于腐蚀坑且与主裂纹大致平行的 微裂纹。对图4方框中的腐蚀坑处和微裂纹处的腐 蚀产物进行能谱分析。由表3可知,腐蚀产物中存 在含量较高的硫元素,说明阀杆服役环境中存在该 元素。 

1.6 显微组织观察 

从阀杆断口处截取剖面试样,经化学试剂浸蚀 后进行观察。由图5可见,阀杆表面组织为含氮索 氏体+组织,阀杆心部显微组织为回火索氏体。

1.7 硬度试验 

将磨抛后的阀杆断口剖面试样置于显微硬度 计上,采用2.907N的试验力测试试样心部的显微 硬度,其硬度为256,258,262 HV0.3,平均值为 259HV0.3。采用维氏硬度在试验力为2.907N 下,分别检测阀杆断裂位置附近与远离断口处的 氮化层深度,根据 GB/T11354-2005《钢铁零件 渗氮层深度测定和金相组织检验》,从试样表面测 至比基体维氏硬度值高50HV0.3(即309HV0.3) 处的垂直距离为渗氮层深度,结果见表4。由表4 可见,断裂位置附近与远离断口处的氮化层深度 无明显差异,距阀杆表面0.1mm 处的硬度值无明 显差异。 

2 分析与讨论 

通过理化检验结果可知,断裂阀杆的化学成分与力学性能均符合相关技术要求,其显微组织未见 异常。 

阀杆的断口宏观形貌具有外力作用下一次性脆 性断裂的宏观形貌特征,阀杆断口的微观形貌具有 外力作用下一次性脆性断裂的微观形貌特征,与宏 观观察结果相符。分析认为阀杆的断裂性质为在外 力作用下发生的一次性断裂。

阀杆表面可见磨损痕迹,从阀杆的使用情况与 结构分析,认为该磨损为与横向蒸汽孔边缘处的磨 损。在该处截取剖面试样,可见阀杆表面存在腐蚀 坑,腐蚀坑处存在与断口大致平行的向材料内部扩 展的微裂纹,微裂纹内可见腐蚀产物。在腐蚀产物 中检测到腐蚀性硫元素,说明阀杆使用环境中的高 温蒸汽含有腐蚀性介质,阀杆在蒸汽输入口处最先 接触到腐蚀性介质,导致该处发生腐蚀,形成腐蚀 坑,并在腐蚀性介质与工作应力共同作用下形成应 力腐蚀裂纹。

阀杆所在机组在较高负载情况下工作1.5d后 进行拆机检测,如果阀杆在电机发生异常后马上断 裂,那么电机会马上停止运作,并且断口会在高温蒸 汽与腐蚀性介质共同作用下发生氧化腐蚀。而从断 口的宏观与微观形貌来看,断面较为洁净,呈亮金属色,整体未见异物覆盖,说明断口没有发生氧化腐 蚀,从而判断阀杆是在系统停机后进行拆机检测时 发生的一次性断裂。 

3 结论及建议 

(1)阀杆的化学成分符合相关技术要求,显微 组织未见异常。 

(2)通过理化检验和阀杆的使用工况,综合分 析认为,阀杆是在系统停机后进行拆机检测时发生 了一次性脆性断裂。 

(3)阀杆在蒸汽输入口处存在腐蚀坑与应力腐 蚀裂纹,产生应力集中,导致阀杆在拆解时发生 断裂。

(4)优化拆机检查方法,避免拆解时损坏样品, 尽量避免电机在过载情况下运行,控制使用环境中 的腐蚀性元素含量。 

参考文献: 

[1] 任耀剑,张绪平,孙智.25Cr2Mo1V 钢在高温服役中 的组织和性能研究[J].徐州建筑职业技术学院学报, 2009,9(2):41-43. 

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:27-29)>