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摘要:呼和浩特热电厂3号汽轮机运行过程中发生中压调速汽阀阀杆断裂事故。为查明阀杆断裂原因，了解其寿命及健康状况。利用外观形貌分析、化学成分分析、力学性能检测、金相显微组织检测等试验方法对断裂阀杆进行了综合性检测分析。
结果表明：本次发生断裂的中压调速汽阀阀杆化学成分符合设计标准要求，阀杆表层存在深约0.25mm的渗氮层，基体组织为回火马氏体，未见异常，材料的常温冲击韧性和断后伸长率不合格，塑性及韧性不佳；其断裂的主要原因是阀杆表层工作面的渗氮层脆性超标，运行中当阀杆与套筒发生较为严重相互挤压时在应力最为集中的销孔部位的渗氮层内出现微裂纹并形成裂纹源，微裂纹在弯曲及扭转载荷作用下穿透渗氮层并沿塑性和韧性不良的基体组织快速扩展进而引发阀杆整体断裂。
中图分类号：TM62文献标识码：A
关键词：阀杆；渗氮层；脆性；断裂
1前言
呼和浩特热电厂#3汽轮机系哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的型号为CZK350/324-24.2/566/566的超临界、一次中间再热、单轴、两缸两排气、直接空冷抽汽凝汽式供热汽轮机。2013年11月21日#3机组运行中发现东侧中调阀温度下降，右侧再热汽进汽温度：533℃,压力：3.3MPa；左侧再热汽进汽温度556℃，压力：3.2MPa，左右侧再热汽进汽温度偏差大，经检查认为是右侧中调阀可能存在开度小于指示值的可能，开右侧再热汽门前疏水，右侧中主门平衡阀，右侧再热汽联合汽门疏水门，调整中调阀后壁温恢复右侧再热汽進汽温度开始回升，经汽轮机专业组分析认为右侧中调阀内可能存在缺陷。2013月12月01日#3机组停车解体检查发现右侧中调阀阀杆在销钉部位断裂。中压调速汽阀阀杆规格Φ49.72mm、材质2Cr12NiMo1W1V。为确保#3、#4机组安全、经济、稳定、连续运行找到中压调速汽阀门断裂的原因，防止同类断裂失效事故再次发生，依据GB/T 11170-2008、DL/T 884-2004等相关规程标准对断裂的阀杆取样进行综合性失效原因分析。
2试验内容
2.1 宏观形态检察与分析
对断裂的阀杆进行宏观形貌检察。阀杆断裂于应力最为集中的销孔部位，断口粗糙且有轻微宏观塑性变形，整体呈脆性断裂特性，断口表面高温氧化严重，如图1（a）所示；断口附近阀杆表面渗氮层上存在多处裂纹，如图1（b）所示；在断口下方阀杆表面较大区域存在明显与其他部件挤碰摩擦的痕迹，该部位表面的高温氧化皮由于挤碰已经发生明显脱落，如图1（c）所示。
（a）断口正面（b）断口附近渗氮层表面裂纹 （c）断口下方表层摩擦痕迹
图1阀杆断口及其表面宏观形貌
2.2化学成分检测与分析
对断裂的阀杆取样进行化学成分检测，结果见表4。可以看出，阀杆的化学成分中各元素含量均符合标准要求。详细试验数据见附录A.2。
表42Cr12NiMo1W1V阀杆化学成分检测结果 单位：%
检测元素 C Si Mn P S Ni Cr Mo V W Cu
GB/T 20410-2006 0.20～0.25 ≤
0.50 0.50
～1.00 ≤
0.030 ≤
0.025 0.50～1.00 11.00～12.50 0.90～1.25 0.20～0.30 0.90～1.25 ≤
0.25
JS/Z-YP-2013-0788 0.26 0.28 0.76 0.024 0.009 0.77 11.51 0.91 0.26 0.91 0.10
2.3显微组织检测与分析
对断裂阀杆的横截面进行100%金相组织检测。检测部位为距断口20mm处阀杆横截面渗氮层及基体，见图2。
图2（a）所示为阀杆边缘组织，可以看出，该阀杆表面存在渗氮层组织，在渗氮层中发现有微观裂纹存在；利用硬度法对渗氮层深度进行测定得出渗氮层的物理平均深度约为250μm，即0.25mm，见图2（b）；图2（c）所示为阀杆基体的组织，可以看出，阀杆的基体组织为回火马氏体，δ-铁素体含量未超10%，组织状态未见异常。
（a）渗氮层组织200X （b）渗氮层深度100X（c）基体组织500X
图2断裂阀杆横截面各部位组织
利用硬度法对阀杆表层渗氮层进行脆性检验，如图3所示。可以看出，对于该阀杆工作面渗氮层，其压痕四边均已发生碎裂，即脆性已达5级，依照标准重要零件渗氮层脆性1～2级合格的要求，该阀杆渗氮层脆性过大，不合格。
图3阀杆渗氮层脆性碎裂图
2.4 力学性能检测与分析
对断裂阀杆基体分别截取标准试样进行常温拉伸试验、常温冲击试验和硬度试验，结果见表5。可以看出，该阀杆的抗拉强度、屈服强度及硬度都合格且较高，而断后伸长率和冲击韧性偏低不合格，说明阀杆材料的脆性较大而塑性和韧性不佳。详细试验数据见附录A.1。
表5阀杆的各项常温力学性能测试结果(20℃)
检 测 项 目 屈服强度/
MPa 抗拉强度/
MPa 断后伸长率/
% 冲击吸收功/
J 布氏硬度/
HB
GB/T 20410-2006 ≥760 ≥930 ≥12 ≥11 277～331
JS/Z-YP-2013-0788 886 1044 10.5 10.7 330
3试验结果
首先，从化学成分检测结果看，阀杆的化学成分中各元素含量均符合标准要求。
其次，从金相组织检测结果来看，阀杆基体组织为回火马氏体，而边缘工作面存在深约0.25mm的渗氮层，而渗氮层脆性5级，不合格。
再者，通过常温力学性能试验可知，阀杆的抗拉强度、屈服强度及硬度合格，而断后伸长率和冲击韧性低于标准要求。
综合以上分析可知，本次#3汽轮机中压调速汽阀阀杆断裂的主要原因有两点：首先阀杆的断后伸长率及冲击韧性均不合格，塑性和韧性较差，一旦产生裂纹，扩展迅速，易发生脆性断裂；其次，阀杆表层工作面的渗氮层脆性过大，运行中当阀杆与套筒发生较为严重相互挤压时，在应力最为集中的销孔部位的渗氮层内出现微裂纹并形成裂纹源，微裂纹在弯曲及扭转载等荷作用下穿透渗氮层并沿塑性和韧性不良的基体组织扩展，进而引发其整体断裂。
4结论
本次#3汽轮机中压调速汽阀阀杆断裂的主要原因有两点：首先阀杆的断后伸长率及冲击韧性均不合格，塑性和韧性较差，一旦产生裂纹，扩展迅速，易发生脆性断裂；其次，阀杆表层工作面的渗氮层脆性超标，运行中当阀杆与套筒发生较为严重相互挤压时在应力最为集中的销孔部位的渗氮层内出现微裂纹并形成裂纹源，微裂纹在弯曲及扭转载荷作用下穿透渗氮层并沿塑性和韧性不良的基体组织扩展，进而引发其整体断裂。
结果表明：本次发生断裂的中压调速汽阀阀杆化学成分符合设计标准要求，阀杆表层存在深约0.25mm的渗氮层，基体组织为回火马氏体，未见异常，材料的常温冲击韧性和断后伸长率不合格，塑性及韧性不佳；其断裂的主要原因是阀杆表层工作面的渗氮层脆性超标，运行中当阀杆与套筒发生较为严重相互挤压时在应力最为集中的销孔部位的渗氮层内出现微裂纹并形成裂纹源，微裂纹在弯曲及扭转载荷作用下穿透渗氮层并沿塑性和韧性不良的基体组织快速扩展进而引发阀杆整体断裂。
中图分类号：TM62文献标识码：A
关键词：阀杆；渗氮层；脆性；断裂
1前言
呼和浩特热电厂#3汽轮机系哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的型号为CZK350/324-24.2/566/566的超临界、一次中间再热、单轴、两缸两排气、直接空冷抽汽凝汽式供热汽轮机。2013年11月21日#3机组运行中发现东侧中调阀温度下降，右侧再热汽进汽温度：533℃,压力：3.3MPa；左侧再热汽进汽温度556℃，压力：3.2MPa，左右侧再热汽进汽温度偏差大，经检查认为是右侧中调阀可能存在开度小于指示值的可能，开右侧再热汽门前疏水，右侧中主门平衡阀，右侧再热汽联合汽门疏水门，调整中调阀后壁温恢复右侧再热汽進汽温度开始回升，经汽轮机专业组分析认为右侧中调阀内可能存在缺陷。2013月12月01日#3机组停车解体检查发现右侧中调阀阀杆在销钉部位断裂。中压调速汽阀阀杆规格Φ49.72mm、材质2Cr12NiMo1W1V。为确保#3、#4机组安全、经济、稳定、连续运行找到中压调速汽阀门断裂的原因，防止同类断裂失效事故再次发生，依据GB/T 11170-2008、DL/T 884-2004等相关规程标准对断裂的阀杆取样进行综合性失效原因分析。
2试验内容
2.1 宏观形态检察与分析
对断裂的阀杆进行宏观形貌检察。阀杆断裂于应力最为集中的销孔部位，断口粗糙且有轻微宏观塑性变形，整体呈脆性断裂特性，断口表面高温氧化严重，如图1（a）所示；断口附近阀杆表面渗氮层上存在多处裂纹，如图1（b）所示；在断口下方阀杆表面较大区域存在明显与其他部件挤碰摩擦的痕迹，该部位表面的高温氧化皮由于挤碰已经发生明显脱落，如图1（c）所示。
（a）断口正面（b）断口附近渗氮层表面裂纹 （c）断口下方表层摩擦痕迹
图1阀杆断口及其表面宏观形貌
2.2化学成分检测与分析
对断裂的阀杆取样进行化学成分检测，结果见表4。可以看出，阀杆的化学成分中各元素含量均符合标准要求。详细试验数据见附录A.2。
表42Cr12NiMo1W1V阀杆化学成分检测结果 单位：%
检测元素 C Si Mn P S Ni Cr Mo V W Cu
GB/T 20410-2006 0.20～0.25 ≤
0.50 0.50
～1.00 ≤
0.030 ≤
0.025 0.50～1.00 11.00～12.50 0.90～1.25 0.20～0.30 0.90～1.25 ≤
0.25
JS/Z-YP-2013-0788 0.26 0.28 0.76 0.024 0.009 0.77 11.51 0.91 0.26 0.91 0.10
2.3显微组织检测与分析
对断裂阀杆的横截面进行100%金相组织检测。检测部位为距断口20mm处阀杆横截面渗氮层及基体，见图2。
图2（a）所示为阀杆边缘组织，可以看出，该阀杆表面存在渗氮层组织，在渗氮层中发现有微观裂纹存在；利用硬度法对渗氮层深度进行测定得出渗氮层的物理平均深度约为250μm，即0.25mm，见图2（b）；图2（c）所示为阀杆基体的组织，可以看出，阀杆的基体组织为回火马氏体，δ-铁素体含量未超10%，组织状态未见异常。
（a）渗氮层组织200X （b）渗氮层深度100X（c）基体组织500X
图2断裂阀杆横截面各部位组织
利用硬度法对阀杆表层渗氮层进行脆性检验，如图3所示。可以看出，对于该阀杆工作面渗氮层，其压痕四边均已发生碎裂，即脆性已达5级，依照标准重要零件渗氮层脆性1～2级合格的要求，该阀杆渗氮层脆性过大，不合格。
图3阀杆渗氮层脆性碎裂图
2.4 力学性能检测与分析
对断裂阀杆基体分别截取标准试样进行常温拉伸试验、常温冲击试验和硬度试验，结果见表5。可以看出，该阀杆的抗拉强度、屈服强度及硬度都合格且较高，而断后伸长率和冲击韧性偏低不合格，说明阀杆材料的脆性较大而塑性和韧性不佳。详细试验数据见附录A.1。
表5阀杆的各项常温力学性能测试结果(20℃)
检 测 项 目 屈服强度/
MPa 抗拉强度/
MPa 断后伸长率/
% 冲击吸收功/
J 布氏硬度/
HB
GB/T 20410-2006 ≥760 ≥930 ≥12 ≥11 277～331
JS/Z-YP-2013-0788 886 1044 10.5 10.7 330
3试验结果
首先，从化学成分检测结果看，阀杆的化学成分中各元素含量均符合标准要求。
其次，从金相组织检测结果来看，阀杆基体组织为回火马氏体，而边缘工作面存在深约0.25mm的渗氮层，而渗氮层脆性5级，不合格。
再者，通过常温力学性能试验可知，阀杆的抗拉强度、屈服强度及硬度合格，而断后伸长率和冲击韧性低于标准要求。
综合以上分析可知，本次#3汽轮机中压调速汽阀阀杆断裂的主要原因有两点：首先阀杆的断后伸长率及冲击韧性均不合格，塑性和韧性较差，一旦产生裂纹，扩展迅速，易发生脆性断裂；其次，阀杆表层工作面的渗氮层脆性过大，运行中当阀杆与套筒发生较为严重相互挤压时，在应力最为集中的销孔部位的渗氮层内出现微裂纹并形成裂纹源，微裂纹在弯曲及扭转载等荷作用下穿透渗氮层并沿塑性和韧性不良的基体组织扩展，进而引发其整体断裂。
4结论
本次#3汽轮机中压调速汽阀阀杆断裂的主要原因有两点：首先阀杆的断后伸长率及冲击韧性均不合格，塑性和韧性较差，一旦产生裂纹，扩展迅速，易发生脆性断裂；其次，阀杆表层工作面的渗氮层脆性超标，运行中当阀杆与套筒发生较为严重相互挤压时在应力最为集中的销孔部位的渗氮层内出现微裂纹并形成裂纹源，微裂纹在弯曲及扭转载荷作用下穿透渗氮层并沿塑性和韧性不良的基体组织扩展，进而引发其整体断裂。