某电厂中压调节阀杠杆销钉断裂原因分析

    某电厂5号机组设计为620MW超临界空冷机组，三大主机均为东方集团配套生产供货，配置2台50%汽动给水泵。该机组2006年6月28日开始建设，2008年6月1日投入商业运行。汽轮机为东方汽轮机厂生产，型号为NZK600-24.2/566/566，为超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，采用高中压缸合缸结构，2个低压缸均为双流反向布置。2012年12月机组进行A级检修时发现一侧中压调节阀杠杆销钉断裂。

    1 缺陷情况

    中压调节阀安装在汽轮机的每个中压进汽管道上，起动期间，这些阀门也具有调节蒸汽去中压和低压汽轮机的控制能力。中压调节阀出口通过中压导汽管与汽缸进汽室连接。主阀碟通过阀杆和连接件与油动机的活塞连接。油动机活塞向下移动关闭阀门，向上移动打开阀门。阀门通过连杆施加向下的关闭力，中压调节阀杠杆销钉断裂部位见图1。

图1 中压调节阀杠杆销钉断裂部位

    中压调节阀杠杆销钉所用材料为20Cr1Mo1VNb-TiB，该材料属于贝氏体耐热钢，具有优良综合性能，一般用于工作温度小570℃的火力发电厂的高温螺栓。该钢对热处理比较敏感，如热加工控制不当，螺栓材料易出现肉眼可见的晶粒（粗晶）。

    2 实验研究

    中压调节阀工作时杠杆销钉主要承受挤压力及剪力，销钉外表面未见损坏。可见销钉断裂不是由于挤压力引起的破坏，销钉所受剪力方向垂直于销钉的轴线方向，与最大剪应力夹角45°方向是最大主应力方向。销钉的断裂方向与剪力方向基本呈45°方向，销钉断裂面基本上垂直于最大主应力方向，所以销钉的断裂是由剪力引起的破坏。

    为查找中压调节阀杠杆销钉断裂原因，对断裂销钉进行宏观形貌分析，并依据图2进行取样分析，取样包括化学成分、金相、断面硬度及冲击试验，试验结果参照DL/T439-2006。

图2 中压调节阀杠杆销钉取样示意图

    2.1 宏观形貌分析

    宏观观察销钉的形貌可知，断口起裂处为直径为102mm和80mm的交界的台阶根部，属于应力集中部位，断口没有明显的塑性变形，属于脆性断裂。断口已经磨损，没有看到明显的疲劳纹。断口可见裂纹扩展区及最后瞬断区，最后瞬断区面积较小，销钉剪应力较小，安全系数较大。断裂销钉宏观形貌及宏观断口见图3。

图3 销钉宏观形貌

    2.2 化学成分

    化学成分测试采用ARL-3460直读光谱仪进行测试，成分检验结果及标准要求见表1。可见，化学成分满足标准对20Cr1Mo1VnbTiB的要求，可排除材质错用的问题。

表1 标准要求与实际成分测量（质量分数，%）

    2.3 金相分析

    金相试样经过粗磨、细磨、机械抛光后应用4%的硝酸酒精腐蚀，在OLYMPUSGX71金相显微镜下进行观察，同时依据DL/T439-2006对其进行粗晶评级。金相组织见图3。可看出，组织为回火贝氏体，晶粒粗大，可见黑色网状奥氏体晶界，晶界上可见少量碳化物析出，依据DL/T439-2006对其进行晶粒级别检验，结果为宏观粗晶，级别为2级，晶粒平均直径大于0.5mm，不同位向的晶粒之间有较大的反差。

图4 试样金相组织

    DL/T439-2006规定晶粒级别为1，2级的20Cr1Mo1VNbTiB螺栓应报废，中压调节阀杠杆销钉采用20Cr1Mo1VnbTiB材料，金相组织不合格。

    2.4 硬度分析

    对中压调节阀杠杆断裂销钉的横截面从外到心部等间距4处通过HBU-750布氏硬度计进行布氏硬度检验，检验结果分别为400、398、396、395HBW平均值为397HBW，DL/T439-2006对20Cr1Mo1V-NbTiB螺栓的硬度要求为252～302HBW中压调节阀杠杆销钉参照执行，远大于标准要求。硬度高说明销钉的强度高，塑性及韧性较低。

    2.5 冲击试验

    在销钉外表面下5mm，沿销钉周向均匀取6个冲击试样，试验结果表明，U形缺口冲击功平均值仅为2.2J。DL/T439-2006对20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的U形缺口冲击功等于或大于M52的螺栓，Ak>47J。U形缺口冲击功平均值远低于标准要求，U形缺口冲击功低，说明销钉的韧性低，易引起销钉的脆性断裂。

    根据宏观形貌分析及试验结果，可知，中压调节阀杠杆销钉采用了20Cr1Mo1VnbTiB材料，由于热处理工艺执行不当导致金相组织、硬度和冲击功不满足标准要求，使得销钉的冲击韧性降低。销钉的结构在承受剪应力的部位存在轴的变径台阶，台阶根部在工作剪力下存在较大应力集中，在应力集中的作用下，最终导致断裂。

    3 结论及建议

    （1）该杠杆销钉化学成分合格，金相组织粗大，可见黑色网状奥氏体晶界，粗晶2级，硬度高，冲击韧性低，金相组织、硬度、冲击功均不满足标准要求。

    （2）销钉由于结构原因，存在较大的应力集中，同时销钉的韧性极低，是销钉开裂的主要原因。

    （3）建议对中压调节阀杠杆销钉进行金相及硬度检验，对不合格销钉要及时进行更换。