彭 波1,王建国1,裴广会2,辛林祥2,王智春1

(1.华北电力科学研究院有限责任公司,北京 100045;2.天津国投津能发电有限公司,天津 300480)

摘 要:某1000MW 超超临界机组给水泵出口电动闸阀阀杆在阀门开启过程中发生断裂,采用宏观形貌观察、化学成分分析、力学性能测试和显微组织观察等方法分析了阀杆断裂的原因。结果表明:阀杆的显微组织不均匀,心部存在局部疏松,组织中存在较多条状或块状铁素体,导致阀杆的塑韧性不足,综合力学性能不均匀;同时在阀门打开过程中,出口侧阀瓣与滑轨之间发生严重卡涩,且阀杆环形平台的加工质量较差,阀杆底部环形平台变截面根部过渡圆弧角较小。在阀门开启时,裂纹在环形平台变截面根部的应力集中区域萌生并快速扩展,最终导致阀杆发生脆性断裂。关键词:阀杆;X39CrMo17-1不锈钢;脆性断裂;应力集中;铁素体中图分类号:TH134 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)07-0104-07

0 引 言

闸阀是电厂汽、水输送系统中的重要控制部件之一,主要起到截断汽、水通路的作用。闸阀部分开启时易引起闸板振动,且闸板下半部长期遭受汽、水介质的冲刷、磨损和腐蚀作用,可能导致在关闭时出现接触面不严密而发生泄漏,闸阀通常处于全关或全开的状态。闸板在阀体内的位置与汽、水流向垂直,通过阀杆传递驱动力,带动阀瓣升降,从而起到控制阀门启闭的作用,因此阀杆应具有足够的强度、刚度和耐磨性[1-2]。在某1000 MW 超超临界机组启动过程中,通过电动方式打开给水泵出口闸阀时发现阀门卡涩,工作人员改用手动开启阀门并启动给水泵,但是下游管道中的仪表中未显示出流量和压力。技术人员对阀门进行拆解后,发现阀杆在底部环形平台变截面根部位置发生断裂。该给水泵出口电动闸阀为平行式双闸板闸阀,104彭 波,等:1000MW 超超临界机组电动闸阀阀杆的断裂原因累计运行时间约1a,阀门的设计压力为41MPa,设计温度为306 ℃,电动操作力矩约为4690N·m,正常开/关全程时间短于100s,阀杆的材料为 EN10088-3:2014 标 准 中 的 X39CrMo17-1 不 锈 钢,阀杆 底 部 扣 挂 阀 瓣 的 环 形 平 台 直 径 最 大,约 为110mm。X39CrMo17-1不锈钢经调质处理后具有良好的耐腐蚀性能及耐磨性能,在400 ℃及以下环境中具有较高的强度和较好的抗蠕变性能,可用于制造高温部位阀门驱动轴、阀杆、轴承和螺栓等零部件[3-7]。为了确定该阀杆断裂的原因,对阀杆断裂位置附近进行了破坏性试验,但由于一侧断口因此阀瓣上焊接提取阀瓣的结构件过程中焊渣飞溅污染而破坏,另一侧断口则因继续运行2个月而受介质冲刷较严重,因此均无法用扫描电镜(SEM)观察断口的原始形貌。基于此,作者采用宏观形貌观察、化学成分分析、力学性能测试和显微组织观察等方法对断裂阀杆进行失效分析,以期为设备的安全稳定运行提供一定的技术保障。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌断裂

阀杆为整体加工而成,断裂位置位于阀杆底部悬挂两侧阀瓣的环形平台。变截面根部电动闸阀的结构设计图及阀杆断裂位置阀杆和阀瓣的宏观形貌如图1所示。图1 电动闸阀的结构设计图及断裂阀杆和阀瓣的宏观形貌Fig 1 Structuredesigndrawingofelectricgatevalve a andmacromorphologyofbrokenstemanddisc b由图2可以看出:阀杆底部环形平台正面存在2条明显的挤压痕迹,且挤压痕迹在同一条直线上,断裂部位位于底部环形平台变截面根部;断裂后上部阀杆将底部环形平台中心区域大部分基体拽出,环形平台背面断口局部边缘处略内陷。靠近出口侧环形平台断口表面粗糙,其余位置断口较平整,环形平台入口侧为裂纹垂直扩展区,出口侧为最终快速撕裂区,整体断口无明显的塑性变形,呈典型的脆性断裂特征。断裂阀杆入口侧的整个断口区域和出口侧的底部区域相对较光滑,这与断裂后上部阀杆在水循环回路中继续运行约2个月时其端部区域被水流冲刷有关。采用光学显微镜对阀杆断口处的局部形貌进行观察。将环形平台挤压痕迹 Z1、Z2区域局部放大后,发现底部环形平台断口存在明显的机加工刀痕,且一侧挤压痕迹局部凸出并略向外翻,如图3(a)和图3(b)所示。将上部阀杆入口侧和出口侧的局部区域放大后发现,底部环形平台变截面根部过渡圆弧角较小,在过渡圆弧角处发生明显开裂,在相邻区域存在多条平行且连续的微裂纹,同时断口上存在多处二次裂纹,如图3(c)~图3(f)所示。综上可知,断裂阀杆的裂纹源位于2条挤压痕迹附近的环形平台变截面根部,裂纹沿纵向和环向扩展至阀杆内部,最终导致阀杆将环形平台中心区域大部分基体拽出后断裂。在现场取出阀瓣后,观察阀门入口侧、出口侧阀瓣宏观形貌后发现:出口侧阀瓣与阀杆底部环形平台装配槽内部存在明显的挤压痕迹和变形台阶,且出口侧阀瓣两侧滑轨存在明显磨损卡涩痕迹;入口侧阀瓣的装配槽无明显变形,且两侧滑轨较光滑,无105彭 波,等:1000MW 超超临界机组电动闸阀阀杆的断裂原因图2 阀杆断口的整体形貌Fig.2 Overallmorphologyofstemfracture:(a)frontofbottomannularplatform;(b)backofbottomannularplatform;(c)inletsideoffracturedstemand(d)outletsideoffracturedstem图3 阀杆断口的局部形貌Fig.3 Morphologyofpartialstemfracture:(a)enlargementofsqueezetraceZ1areaonannularplatform;(b)enlargementofsqueezetraceZ2areaonannularplatform;(c)microcracksneartransitionarcangleofannularplatform;(d)crackingareaatvariablecross-sectiononinletsideofannularplatform;(e)secondarycracksoninletsideoffracturedstem and (f)nearvariablecross-sectiononoutletsideoffracturedstem卡涩痕迹。出口侧阀瓣装配槽的台阶与环形平台上的压痕位置对应,阀瓣滑轨上的磨损痕迹表明出口侧阀瓣与滑轨发生了严重的卡涩;在阀门开启时,阀杆底部悬挂阀瓣的环形平台变截面根部区域产生应力集中,导致裂纹在此处萌生。

1.2 化学成分

采用 OxfordFM Pro型台式直读光谱分析仪对 断裂阀杆的化学成分进行分析,结果见表1。由表1可知,断裂阀杆的主要合金元素中除碳元素含量略低于 EN10088-3:2014标准要求的下限值外,表1 断裂阀杆的化学成分(质量分数)Table1 Chemicalcompositionoffracturedstem (massfraction) %项目 C Si Mn S P Cr Mo Ni标准值 0.33~0.45 ≤1.00 ≤1.50 ≤0.030 ≤0.040 15.5~17.5 0.80~1.30 ≤1.00测试值 0.30 0.36 0.63 0.012 0.024 16.6 0.86 0.36106彭 波,等:1000MW 超超临界机组电动闸阀阀杆的断裂原因其余元素含量均在标准要求范围内。

1.3 力学性能

在断裂阀杆上部沿轴向取2个拉伸试样和2个夏比 V 型冲击试样,拉伸试样为直径10 mm 的圆棒状试样,冲 击 试 样 的 尺 寸 为 55 mm×10 mm×10mm,缺 口 深 度 为 2 mm。按 照 GB/T228.1—2010进 行 室 温 拉 伸 试 验,屈 服 前 拉 伸 速 度 为1.2mm·min-1,屈服后为 12 mm·min-1。按照GB/T229—2007进行室温冲击试验。由表2可以看出:阀杆的抗拉强度和屈服强度均满足标准要求,断后伸长率均低于标准要求下限值,拉伸性能测试值偏差较大;2个冲击试样的冲击吸收功相差超过70%,且其中一个试样的冲击吸收功低于标准要求表2 断裂阀杆的力学性能Table2 Mechanicalpropertiesoffracturedstem项目抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率/%断面收缩率/%冲击吸收功/J标准值 750~950 ≥550 ≥12 — ≥10测试值 787,841 614,668 11.5,10.0 20,28 9.2,16.0下限值。由此可见,阀杆的综合力学性能不均匀,且部分性能指标不符合标准要求。

1.4 显微组织

采用线切割方法分别从断裂阀杆环形平台断口附近、上部阀杆断口附近截取纵截面、横截面试样,经砂纸打磨、机械抛光,用王水腐蚀后,采用光学显微镜观察显微组织。冲击试验结束后,沿垂直于试样断口平面切开,经打磨、抛光,用王水腐蚀后,观察冲击断口附近的显微组织。由图4可知,阀杆环形平台断口纵截面边缘存在长条状铁素体,其长度方向与阀杆的轧制方向(轴向)大致平行,与断口表面也大致平行,断口边缘处部分铁素体与回火索氏体界面处存在开裂现象。环形平台变截面处存在多处明显的裂纹,裂纹两侧均无明显氧化和脱碳现象。阀杆环形平台断口纵截面心部的显微组织为具有一定马氏体位向的回火索氏体+铁素体,铁素体大部分呈长条状或带状分布,在铁素体内部及其与基体组织的界面处存在连续分布的短杆状碳化物[7]。图4 断裂阀杆环形平台附近的纵截面显微组织Fig.4 Microstructuresonlongitudinalsectionnearannularplatformoffracturedstem:(a)edgeoffracture,atlowmagnification;(b)edgeoffracture,athighmagnification;(c)microcrackareaonvariablecross-section;(d)view1offracturecenterarea;(e)view2offracturecenterareaand(f)enlargementnearferriteincenterareaoffracture由图5可以看出,上部阀杆横截面近外壁的显微组织为具有一定马氏体位向的回火索氏体+铁素体,但不同视场下铁素体的含量和形态存在一定差异,铁素体内部及其与基体组织的界面处存在连续分布的短杆状碳化物。阀杆的横截面心部区域存在局部疏松。阀杆横截面心部区域的显微组织也是回火索氏体+铁素体,但与近外壁相比,回火索氏体无明显位向特征,同时不同视场下铁素体的含量和形态也存在一定差别;心部铁素体内部及其与基体组织的界面处也存在大量连续分布的短杆状碳化物。107彭 波,等:1000MW 超超临界机组电动闸阀阀杆的断裂原因对整个横截面进行观察,不同区域的铁素体含量不同,100倍视场下统计得到,铁素体最大面积分数约为20%。由图6可知,冲击断口边缘显微组织为具有一定马氏体位向的回火索氏体+铁素体,基体组织中存在大量条状或块状铁素体,铁素体内部及其与基体组织的界面处存在较多短杆状碳化物以及明显的二次裂纹。图5 上部阀杆断口附近的横截面组织Fig.5 Microstructuresoncrosssectionnearfractureofupperstem:(a)view1nearouterwall;(b)view2nearouterwall;(c)view1ofcenterarea;(d)view2ofcenterarea;(e)view3ofcenterareaand(f)enlargementnearferriteareaofcenterarea图6 冲击试样断口纵截面显微组织Fig.6 Microstructuresonlongitudinalsectionoffractureofimpactspecimen:(a)edgeofimpactfracture,atlowmagnification;(b)edgeofimpactfracture,athighmagnification;(c)enlargementofboxareainFig.(a)and(d)ferriteandcarbidenearedgeoffracture由断裂阀杆环形平台断口边缘纵截面中条状铁素体的方向可知,铁素体在阀杆轧制过程中发生变形而呈长条状。由于阀杆组织具有不连续性,且不同区域的铁素体形态及含量存在差异,因此起始裂纹从阀杆外壁向内部扩展时,主裂纹或二次裂纹会在铁素体内部以及沿着铁素体与回火索氏体的界面发生扩展[8],这也与图4(b)中断口边缘处部分铁素体与回火索氏体界面处存在开裂的现象相吻合。

2 断裂原因分析

由宏观形貌分析可知:给水泵电动闸阀阀杆为整体加工而成,阀杆底部悬挂两侧阀瓣的环形平台上存在明显的机加工刀痕,机加工表面质量较差,底部环形平台变截面根部过渡圆弧角较小;变截面附近存在许多微裂纹,裂纹源在环形平台变截面处的2条挤压痕迹附近,裂纹沿纵向和环向往阀杆内部快速扩展。出口侧阀瓣与底部环形平台装配槽内部存在明显的挤压痕迹和台阶,出口侧阀瓣两侧滑轨存在明显磨损痕迹,说明阀门在开启过程中,其阀瓣与滑轨发生了严重卡涩,造成环形平台变截面处产生严重应力集中,导致裂纹在此处萌生。X39CrMo17-1钢属于高铬马氏体不锈钢,且阀108彭 波,等:1000MW 超超临界机组电动闸阀阀杆的断裂原因杆的最大直径约为110 mm,其淬火热处理难度较高,铁素体含量对该钢的强度、韧性和抗疲劳性能等都有较大影响[9]。过高含量的铁素体会降低材料的强度、韧性等力学性能,严重影响材料的综合力学性能,特别是冲击性能[7]。阀杆显微组织为具有一定马氏体位向的回火索氏体+铁素体,铁素体大部分呈长条状或小块状分布,纵截面上条状铁素体的长度方向与阀杆的轴向大致平行,且铁素体周围还分布有较多短杆状碳化物,这些可能是阀杆在热处理过程中组织不完全转变导致的[10]。阀杆的强度符合标准要求,但断后伸长率不符合标准要求,部分冲击吸收功也低于标准要求。2个拉伸试样和2个冲击试样的力学性能参数相差较大,推测与显微组织中铁素体的含量、形态及分布等有关。由断口边缘和冲击试样断口边缘的组织可知,当主裂纹在扩展过程中经过基体和铁素体界面及周围碳化物时,裂纹扩展方向发生改变,转变为在铁素体内部以及沿着铁素体与回火索氏体的界面扩展。综上可知,阀杆的制备和热处理工艺不当导致阀杆的显微组织不均匀,心部存在局部疏松,组织中含有大量铁素体,铁素体内部及其与基体组织的界面处存在大量短杆状碳化物,从而造成阀杆的综合力学性能不均匀,且韧性低于标准要求。在打开阀门过程中,出口侧阀瓣与滑轨之间发生严重卡涩,阀杆的环形平台表面存在明显机加工痕迹,加工质量较差,底部环形平台变截面根部过渡圆弧角较小,导致变截面区域的过渡圆弧角处产生严重的应力集中[7,11]。在阀门开启时,裂纹在阀杆底部环形平台变截面根部应力集中区域萌生[12],并沿径向往阀杆内部扩展,在快速扩展过程中当经过长条状铁素体及其外围的短杆状碳化物时,裂纹扩展方向发生变化,最终形成拽出状脆性断口。

3 结论及建议

(1)电动闸阀阀杆断裂原因为 X39CMo17-1阀杆的制备及热处理工艺不当,显微组织不均匀,心部存在局部疏松,且组织中含有大量铁素体,导致阀杆的塑韧性不足,综合力学性能不均匀;在阀门打开过程中,出口侧阀瓣与滑轨之间发生严重卡涩,且阀杆的环形平台表面加工质量较差,阀杆底部环形平台变截面根部过渡圆弧角较小。在阀门开启时,裂纹在环形平台变截面根部应力集中处萌生并快速向阀杆内部扩展,导致阀杆发生拽出状脆性断裂。(2)为防止类似事故的再次发生,应保证闸阀阀瓣和滑轨的装配精度,降低滑动阻力,避免阀门卡涩;严格控制 X39CMo17-1马氏体不锈钢的热处理工艺,控制材料显微组织中铁素体含量,确保阀杆的综合力学性能均匀且满足相关标准要求;严格控制阀杆的机械加工工艺,确保阀杆的表面以及过渡圆弧角的表面粗糙度均满足标准要求;优化阀杆的整体结构设计,适当增大变截面处过渡圆弧角,以降低该处的应力集中程度。