分享：中压调速汽门预启阀阀碟开裂失效分析

摘 要:采用通道式合金分析仪、光学显微镜、拉伸和冲击试验机、扫描电子显微镜等分析了预 启阀阀碟的化学成分、显微组织、力学性能以及断口宏观和微观形貌,并结合预启阀阀碟现场工况 条件对其开裂原因进行了分析.结果表明:由于该预启阀阀碟韧性和塑性较差,从而导致其在与止 转销接触面承受较大胀紧力处发生脆性开裂;裂纹起源于阀碟与止转销接触的内表面中心处,材料 内部的密集孔洞连接形成最初的微裂纹,晶界析出的碳化物使得材料整体抗裂纹扩展能力变差,裂 纹随后发生快速扩展并彼此连接成大裂纹,最终导致阀碟开裂失效. 

关键词:预启阀;阀碟;开裂;力学性能;胀紧力;孔洞;碳化物 

中图分类号:TB３１;TK２６８ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７５７Ｇ０４

２０１７年,辽宁某电厂在检修期间发现,中压调 速汽门预启阀阀碟开裂失效.中压缸进汽阀设计为 两台联合汽门,联合汽门由中压调速汽门和中压主 汽门合并在一个阀壳内,虽然它们利用一个共同的 阀壳,但这两个汽门的功能是不同的,各自有独立的 操作控制装置.中压调速汽门设计独立的阀碟组 件,主阀碟内部设有预启阀,在阀门开启时降低主阀 碟前后压差,减小阀门开启力.对中压调速汽门进 行解体检查,发现阀杆轻微积存氧化皮,衬套完好无 断裂,拆除阀盖后吊出预启阀,可见预启阀止转销截 面存在明显裂纹,如图１所示,已不能满足正常使用 要 求.失效中压调速汽门基本参数见表１;开裂阀碟材料是汽轮机用 GH９０１ 高温合金,阀碟直径是 ２９０mm;销子材料是２Cr１２NiMo１W１V 钢,直径是 ８５mm.为查明该预启阀阀碟开裂失效原因,笔者 对其进行了检验和分析,并提出了改进措施.

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

由图１可见 ,止转销和阀碟结合比较紧密,从裂纹未贯穿一侧沿横截面方向机加工切开,打开裂纹贯 穿一侧断口,发现断口和止转销接触面存在脱落的氧 化皮.由图２可见:断口表面颜色呈灰黑色,两断裂 面啮合性好,无明显塑性变形;断面明显可分为３个 区域,即 A区纤维区,B区放射区,C区剪切唇区;其 中B区有明显的放射状条纹,属于典型的脆性断口, 放射状条纹发射的反方向指向裂纹源,即 A区.

１．２ 化学成分分析 

分别从阀碟近表面和中心部位取样进行化学成 分分析,结果见表２.对止转销取样进行化学成分 分析,结果见表３.

根据资料,阀碟材料为 GH９０１高温合金,参照 «中国航空材料手册»(第２版)第２卷[１]对 GH９０１ 材料成分的要求,阀碟表面和心部的化学成分均符 合该手册技术要求.止转销化学成分分析结果满足 GB/T ８７３２ － ２００４ «汽 轮 机 叶 片 用 钢 »对 ２Cr１２NiMo１W１V 钢成分的技术要求.

１．３ 力学性能试验 

分别从阀碟和阀杆处取拉伸、冲击试样进行力 学性能检测,取样位置见图 ３ 和图 ４,试验结果见 表４和表５.

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１．３．１ 拉伸试验

由表４拉伸试验结果可见:阀碟近表面及中心 位置材料断后伸长率很低,材料断裂时无明显塑性 变形;阀杆的抗拉强度和断后伸长率均高于阀碟的, 但仍不符合«中国航空材料手册»对 GH９０１高温合 金材料的技术要求.

１．３．２ 冲击试验 

由表５冲击试验结果可见:阀碟近表面、中心位 置及阀杆的冲击吸收能量都很低,均不符合«中国航 空材料手册»对 GH９０１高温合金材料的技术要求.

１．４ 金相分析 

对阀碟断口面取样进行金相分析,金相取样位置 为图２中２号试样的纵截面和３号试样的横截面,草 酸水溶液电解侵蚀,金相分析结果见图５和图６.

阀碟 A 区断口上存在大量孔洞,见图７.部分 孔洞已经连接成线,见图８a);部分孔洞以孤立的点 存在,见图８b),孔洞直径在２０~１００μm.断口上 没有观察到明显的疲劳断裂特征.

２ 综合分析 

阀碟开裂面与阀碟轴向基本垂直.断口表面无 明显塑性变形,存在放射状条纹,条纹指向表明裂纹 起源于阀碟与止转销接触面.阀碟近表面及中心位 置化学成分符合«中国航空材料手册»对 GH９０１高 温合金材 料 的 技 术 要 求,止 转 销 化 学 成 分 亦 满 足 GB/T８７３２－２００４对 ２Cr１２NiMo１W１V 钢 成 分 的 技术要求.阀碟材料力学性能差,抗拉强度、断后伸 长率以及冲击吸收能量均不符合«中国航空材料手 册 »对GH９０１高 温 合 金 材 料 的 技 术 要 求 .表 明 阀碟材料塑性和冲击韧性差,缺口敏感性大,易发生脆 性开裂.对阀碟材料进行金相分析,观察到碳化物 有在晶界处大量聚集现象且材料内部存在较多孔洞 等缺陷,此为材料变脆的主要原因.由扫描电镜观 察结果可知,阀碟断口表面存在很多孔洞等微观缺 陷,孔洞直径在２０~１００μm,有些孔洞已连接发展 成微裂纹,有些孔洞还未连接.

３ 结论及建议 

(１)阀碟开裂失效是由于阀碟与止转销接触面 的断裂韧度过低,以及阀碟与止转销接触面承受的 胀紧力相互作用,从而导致阀碟发生脆性开裂. 

(２)裂纹起源于阀碟与止转销接触的内表面中 心处,材料内部的密集孔洞连接形成最初的微裂纹, 晶界析出的碳化物使得材料整体抗裂纹扩展能力变 差,裂纹随后发生快速扩展并彼此连接成大裂纹,最 终导致阀碟开裂. 

(３)材料内部孔洞可能是材料在铸造阶段产生 的,锻造过程中由于锻造压缩比不足而没有被消除; 也可能是材料在高的胀紧力作用下而产生的蠕变孔 洞[２Ｇ４]. 

(４)建议在生产时,优化阀碟锻造工艺,控制锻 造压缩比在合理的范围之内;在使用时,阀碟和止转 销应选择同种材料来防止接触面处产生胀紧力. 

参考文献: 

[１] «中国航空材料手册»编辑委员会．中 国 航 空 材 料 手 册 第２卷:变形高温合金 铸造高温合金[M]．２版． 北京:中国标准出版社,２００２． 

[２] 柯浩,王华龙．GH９０１高温合金 CV 阀阀杆断裂原因 分析[J]．热加工工艺,２０１６(１２):２４１Ｇ２４３． 

[３] 谢亿,郭建亭,陈红冬,等．超临界６００MW 机组主汽阀 阀杆断裂原因分析[J]．热力发电,２０１２,４１(６):６９Ｇ７３． 

[４] 何朋非,谢亿,屈国民．主汽阀阀杆 GH９０１断裂分析 [J]．热加工工艺,２０１５(２２):２３２Ｇ２３４． 

文章来源——材料与测试网