图 1 中压调速汽门门杆断裂位置示意
分享：某电厂中压调速汽门2Cr12NiMo1W1V钢门杆断裂原因
火电厂调速汽门是控制汽轮机转速和输出功率的阀门,门杆是调速汽门的重要组成部分,在工作过程中,主要是通过执行机构带动门杆来调整门芯的位置,控制调门的开启和闭合,改变进入汽缸的蒸汽量,从而实现对转子转速的控制[1-4]。调速汽门的运行工况复杂、恶劣,经常会发生门杆断裂事故[5-6]。2Cr12NiMo1W1V钢是马氏体不锈钢,Cr元素质量分数为12%左右,具有良好的常温和高温力学性能,缺口敏感性小,减震性及抗松弛性能良好,常用于制造汽轮机叶片、高温螺栓及阀杆等[7-8]。在门杆制造过程中,厂家为提高门杆的耐磨性能和整体抗疲劳性能,一般会在表面热处理时对其进行表层渗氮处理,但有研究表明,部分门杆断裂是由渗氮工艺控制不当引起的[9]。
某电厂300 MW亚临界机组汽轮机在机组停备启机过程中,右侧中压调速汽门门杆发生断裂现象,门杆材料为2Cr12NiMo1W1V钢。笔者采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、扫描电镜（SEM）和能谱分析等方法对门杆断裂原因进行分析,以避免门杆再次断裂。
1. 试验过程与结果
1.1 宏观观察
中压调速汽门门杆断裂位置如图1所示。断裂部位处于门杆靠近头部位置应力最为集中的两个十字相交的漏气平衡孔之间,失效位置的两组漏气平衡孔之间的最小距离仅约为8 mm,截面积较小。断口呈深灰色,有高温氧化特征,断口表面存在河流花样,有典型的脆性断裂特征。断裂起源于漏气平衡孔的孔壁,裂纹由平衡孔向两侧扩展。门杆断口宏观形貌如图2所示。
1.2 化学成分分析
在断裂门杆上截取试样,用直读光谱仪对试样进行分析,结果如表1所示。由表1可知：门杆化学成分中的各元素含量均符合DL T 439—2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》对2Cr12NiMo1W1V钢的要求。
Table 1. 门杆的化学成分分析结果
| 项目 | 质量分数 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | W | V | Cu | |
| 实测值 | 0.22 | 0.21 | 0.92 | 0.011 | 0.005 | 0.95 | 12.40 | 0.91 | 1.16 | 0.29 | 0.08 |
| 标准值 | 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 力学性能测试
在断裂门杆上取样,对试样进行拉伸试验、冲击试验及硬度测试,结果如表2所示。由表2可知：断裂门杆的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率及布氏硬度均符合标准要求,断后伸长率、冲击吸收能量低于标准要求,表明门杆的韧性较差。
Table 2. 断裂门杆力学性能测试结果
| 项目 | 规定非比例延伸强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 断后伸长率/% | 断面收缩率/% | 冲击吸收能量/J | 硬度/HB |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 实测值 | 804 | 1 015 | 11.0 | 34.5 | 10 | 297 |
| 标准值 | ≥760 | ≥930 | ≥12 | ≥32 | ≥11 | 277~331 |
1.4 金相检验
在断裂门杆上截取并制备试样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知：非金属夹杂物级别为B1和D1,符合标准要求；门杆基体的显微组织为正常回火马氏体；门杆外表面、漏气平衡孔壁和内表面均进行了渗氮处理,按照GB/T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》进行测试,测定渗氮层深度为0.21 mm；渗氮层内多处位置存在裂纹,这些裂纹均起源于外表面,且向内表面沿渗氮层扩展至门杆基体。
1.5 扫描电镜及能谱分析
使用ZESS EV018型扫描电镜及能谱仪对2Cr12NiMo1W1V钢门杆基体组织和渗氮层进行分析,结果如图4~6所示。由图4~6可知：门杆基体组织为回火马氏体,组织中未见δ铁素体；渗氮层区域氮元素质量分数可达13.89%；裂纹中间区域主要含Cr、O、Fe元素,不含N元素,其成分为铁的氧化物,这表明裂纹是在门杆渗氮过程中或者渗氮结束后服役过程中产生的。
2. 综合分析
由上述理化检验结果可知：断裂位置为门杆两个十字相交的漏气平衡孔之间,间距较小,应力集中显著；断口裂纹起源于漏气平衡孔的孔壁,断口表面存在河流花样,属于脆性断裂；门杆的化学成分、抗拉强度、屈服强度、断面收缩率及布氏硬度均符合标准要求,而断后伸长率、冲击吸收能量均低于标准要求,这说明门杆的韧性较差,在冲击载荷的作用下门杆容易发生断裂现象。
对门杆进行渗氮处理主要是为了提高门杆的耐磨性能,只需要对门杆的外表面进行渗氮处理,不应该对漏气平衡孔壁等位置进行渗氮处理,因为这些位置是应力集中的区域,如果门杆渗氮时不做防渗氮保护,应力集中区域脆性增加,会加剧该处的应力集中现象[10-11]。从机组的运行情况来看,门杆在工作状态下承受拉应力,在机组启停和调峰变载荷条件下,门杆还会受到汽流变化引起的交变冲击载荷作用,在漏气平衡孔应力集中部位的渗氮层形成微裂纹,裂纹在应力的作用下沿基体扩展直至断裂。
3. 结论与建议
（1）中压调速汽门2Cr12NiMo1W1V钢门杆断裂的主要原因是门杆的漏气平衡孔未做防渗氮保护,使应力集中位置的脆性增大,材料在交变载荷的作用下形成微裂纹,裂纹扩展至基体,最终导致门杆断裂。
（2）门杆的断后伸长率、冲击吸收能量均低于标准要求,故其强度偏高,韧性较差,在一定程度上加速了裂纹的扩展。
（3）对中压调速汽门门杆来说,在渗氮前应对不需要做渗氮处理的位置进行防渗氮保护。
（4）建议电厂对其他门体门杆的相同部位进行排查,及时更换有裂纹存在的门杆。
文章来源——材料与测试网
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