火電廠調(diào)速汽門是控制汽輪機(jī)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(jī)構(gòu)帶動(dòng)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(jìn)入汽缸的蒸汽量,從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制[1-4]。調(diào)速汽門的運(yùn)行工況復(fù)雜、惡劣,經(jīng)常會(huì)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?jǐn)?shù)為12%左右,具有良好的常溫和高溫力學(xué)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(jī)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(huì)在表面熱處理時(shí)對其進(jìn)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(dāng)引起的[9]。 

某電廠300 MW亞臨界機(jī)組汽輪機(jī)在機(jī)組停備啟機(jī)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(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對門桿斷裂原因進(jìn)行分析,以避免門桿再次斷裂。 

1.   試驗(yàn)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(gè)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(kuò)展。門桿斷口宏觀形貌如圖2所示。 

圖  1  中壓調(diào)速汽門門桿斷裂位置示意

圖  2  門桿斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂門桿上截取試樣,用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：門桿化學(xué)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。 

1.3   力學(xué)性能測試

在斷裂門桿上取樣,對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率及布氏硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,斷后伸長率、沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)要求,表明門桿的韌性較差。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在斷裂門桿上截取并制備試樣,將試樣置于光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yàn)》進(jìn)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(kuò)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(jìn)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?jǐn)?shù)可達(dá)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(yàn)結(jié)果可知：斷裂位置為門桿兩個(gè)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(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率及布氏硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,而斷后伸長率、沖擊吸收能量均低于標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行滲氮處理,不應(yīng)該對漏氣平衡孔壁等位置進(jìn)行滲氮處理,因?yàn)檫@些位置是應(yīng)力集中的區(qū)域,如果門桿滲氮時(shí)不做防滲氮保護(hù),應(yīng)力集中區(qū)域脆性增加,會(huì)加劇該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象[10-11]。從機(jī)組的運(yùn)行情況來看,門桿在工作狀態(tài)下承受拉應(yīng)力,在機(jī)組啟停和調(diào)峰變載荷條件下,門桿還會(huì)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(kuò)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(hù),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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)要求,故其強(qiáng)度偏高,韌性較差,在一定程度上加速了裂紋的擴(kuò)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(jìn)行防滲氮保護(hù)。 

（4）建議電廠對其他門體門桿的相同部位進(jìn)行排查,及時(shí)更換有裂紋存在的門桿。

文章來源——材料與測試網(wǎng)