火電廠調速汽門是控制汽輪機轉速和輸出功率的閥門,門桿是調速汽門的重要組成部分,在工作過程中,主要是通過執行機構帶動門桿來調整門芯的位置,控制調門的開啟和閉合,改變進入汽缸的蒸汽量,從而實現對轉子轉速的控制[1-4]。調速汽門的運行工況復雜、惡劣,經常會發生門桿斷裂事故[5-6]。2Cr12NiMo1W1V鋼是馬氏體不銹鋼,Cr元素質量分數為12%左右,具有良好的常溫和高溫力學性能,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,一般會在表面熱處理時對其進行表層滲氮處理,但有研究表明,部分門桿斷裂是由滲氮工藝控制不當引起的[9]。 

某電廠300 MW亞臨界機組汽輪機在機組停備啟機過程中,右側中壓調速汽門門桿發生斷裂現象,門桿材料為2Cr12NiMo1W1V鋼。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對門桿斷裂原因進行分析,以避免門桿再次斷裂。 

1.   試驗過程與結果

1.1   宏觀觀察

中壓調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力最為集中的兩個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擴展。門桿斷口宏觀形貌如圖2所示。 

圖  1  中壓調速汽門門桿斷裂位置示意

圖  2  門桿斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在斷裂門桿上截取試樣,用直讀光譜儀對試樣進行分析,結果如表1所示。由表1可知：門桿化學成分中的各元素含量均符合DL T 439—2018《火力發電廠高溫緊固件技術導則》對2Cr12NiMo1W1V鋼的要求。 

1.3   力學性能測試

在斷裂門桿上取樣,對試樣進行拉伸試驗、沖擊試驗及硬度測試,結果如表2所示。由表2可知：斷裂門桿的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率及布氏硬度均符合標準要求,斷后伸長率、沖擊吸收能量低于標準要求,表明門桿的韌性較差。 

1.4   金相檢驗

在斷裂門桿上截取并制備試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：非金屬夾雜物級別為B1和D1,符合標準要求；門桿基體的顯微組織為正常回火馬氏體；門桿外表面、漏氣平衡孔壁和內表面均進行了滲氮處理,按照GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》進行測試,測定滲氮層深度為0.21 mm；滲氮層內多處位置存在裂紋,這些裂紋均起源于外表面,且向內表面沿滲氮層擴展至門桿基體。 

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行分析,結果如圖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；滲氮層區域氮元素質量分數可達13.89%；裂紋中間區域主要含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束后服役過程中產生的。 

圖  4  基體SEM形貌及能譜分析結果

圖  5  滲氮層SEM形貌及能譜分析結果

圖  6  裂紋處SEM形貌及能譜分析結果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：斷裂位置為門桿兩個十字相交的漏氣平衡孔之間,間距較小,應力集中顯著；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；門桿的化學成分、抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率及布氏硬度均符合標準要求,而斷后伸長率、沖擊吸收能量均低于標準要求,這說明門桿的韌性較差,在沖擊載荷的作用下門桿容易發生斷裂現象。 

對門桿進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行滲氮處理,不應該對漏氣平衡孔壁等位置進行滲氮處理,因為這些位置是應力集中的區域,如果門桿滲氮時不做防滲氮保護,應力集中區域脆性增加,會加劇該處的應力集中現象[10-11]。從機組的運行情況來看,門桿在工作狀態下承受拉應力,在機組啟停和調峰變載荷條件下,門桿還會受到汽流變化引起的交變沖擊載荷作用,在漏氣平衡孔應力集中部位的滲氮層形成微裂紋,裂紋在應力的作用下沿基體擴展直至斷裂。 

3.   結論與建議

（1）中壓調速汽門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,使應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,裂紋擴展至基體,最終導致門桿斷裂。 

（2）門桿的斷后伸長率、沖擊吸收能量均低于標準要求,故其強度偏高,韌性較差,在一定程度上加速了裂紋的擴展。 

（3）對中壓調速汽門門桿來說,在滲氮前應對不需要做滲氮處理的位置進行防滲氮保護。 

（4）建議電廠對其他門體門桿的相同部位進行排查,及時更換有裂紋存在的門桿。

文章來源——材料與測試網