探究电站阀门阀杆断裂原因

王 书

(江苏火电电力设备制造有限公司，江苏 盐城 224051)

电站阀门阀杆出现断裂故障在一定程度上会影响电站设备正常稳定运行。 为减少电站相关事故的发生，电站运维人员应定期更换有断裂倾向的阀杆。电站应做好对相关人员的培训工作，强化工作人员操作规范意识，以此来防止因人为因素而引发的阀门阀杆断裂故障。在明确电站阀门阀杆断裂原因的前提下，如何采取针对性的故障解决措施，是目前各相关人员需要考虑的问题。

1 电站阀门阀杆断裂故障原因分析

1.1 电站阀门阀杆断裂故障原因

电站阀门阀杆断裂故障经常出现在上下螺纹根部，其主要原因为该部位横截面积较小，极易出现应力集中等情况。通过对电站实际运行情况的调研和分析可知调试过度使电站阀门结构处的螺母松动，阀盖向上转移，导致阀杆螺母被卡住，进而造成电站阀门阀杆出现断裂故障[1]。此外，阀杆断裂事故易发生在阀门开启的瞬间，主要原因为：阀体中腔关闭后使得内部压力骤然上升，封闭后阀体内部压力过载促使其阀杆上的螺纹根部断裂。

1.2 试验调查

为了查出电站阀门阀杆出现断裂故障的准确原因，以某电站已发生断裂故障的阀门阀杆作为对象开展试验检查。经过开缸检查后发现，阀杆与阀瓣之间相互连接的部位发生了断裂，断裂阀杆的制作材料为 S43100马氏体不锈钢。在明确阀杆制成材料等情况后，对已经断裂的阀杆进行深入探究和分析，快速查找出电站阀门阀杆断裂的原因，为制定解决措施提供参考依据，以减少类似断裂故障的发生，最大程度上确保电站正常稳定运行。阀门局部结构如图1所示。

图1 阀门局部结构

1.3 断裂故障现场调研

经现场调研发现，阀杆断裂位置为阀杆与阀瓣之间的连接处，连接区域表面较为粗糙，同时具有较深的“沟痕”。初步判断“沟痕”现象的出现，主要是该部件在加工时遗留下的缺陷，当部件受到外部压力时，极易导致该部件表面发生“缺口效应”。除此之外，发现与阀杆相互连接的阀瓣密封面上有许多划痕，连接区域也存在着大约 30 mm的压痕。将阀瓣取出后对其进行检查，发现该部件在安装时选择了专门的工装，分析表明当电站阀门阀杆发生断裂时，两个阀座将与阀门相连接的阀瓣卡死在中间[2]。通过查询电站现场操作记录，显示当发电机无法正常电动操作时，需要依靠手动来进行操作。由于手动操作缺乏一定的力矩保护，使得与阀门相连接的阀瓣卡死在两个阀座之间，导致阀杆不能向上或向下移动，进而使阀杆与阀瓣相互连接的接触区域承受过大的扭转力矩，影响了电站发电机正常的运行。

1.4 试验检测

(1) 有限元模拟试验。通过对上述故障阀门阀杆故障断裂原因进行初步分析，了解到阀杆的受力情况与阀杆断裂故障有一定的联系。为明确电站阀门阀杆在工作时与阀瓣相互连接处的应力分布情况，在初步分析的基础上进行了有限元模拟试验。为确保试验结果的精准可靠，在开展受力模拟试验时，输入拟定好的扭转力矩参数，同时划分网格单元数，试验得到阀杆接头处的应力分布情况。各项数据显示，阀杆变截面倒角处是阀杆与阀瓣接头处最大的应力分布区域，并与电站阀门阀杆实际断裂位置一致。

(2) 化学成分检测。断裂阀杆的制造材料为S43100马氏体不锈钢。对该阀杆进行化学成分检测，通过对各项数据的分析可知，阀杆制造材料中所含有的化学成分基本符合相关技术标准，并无异常现象。

(3) 金属及合金化学成分与硬度检测。为了检测阀杆金属及合金组织与硬度是否正常，通过检测阀杆不同部位，以此来确定阀杆断裂区域金属及合金组织参数及硬度是否符合标准要求。硬度测试结果显示，断裂阀杆存在硬度分布不均匀的情况，尤其是非螺纹部位的硬度明显高于尾部螺纹区部位的硬度，由此可以得出已断裂的阀杆硬度与相关标准要求严重不符，充分说明阀杆的硬度与电站阀门阀杆发生断裂故障有着一定联系。

(4)拉伸试验。对已断裂阀杆不同部位进行拉伸试验，以此来确认阀杆材料拉伸性能是否符合相关标准要求。如图2所示。

图2 阀杆不同部位拉伸试验

各项数据显示，虽然已断裂阀杆的抗拉强度与屈服强度符合相关标准要求，但是断后伸长率与断面收缩率明显不符合相关标准要求。此外，为了确认断裂阀杆材料韧性，同时也对阀杆不同部位进行了冲击试验。试验结果表明该断裂阀杆材料的韧性相对较差。

与此同时，利用电子显微镜对阀杆断口与断面进行观察，发现该阀杆断口较为平整，阀杆表面均存在主裂纹与次裂纹，有较小区域的裂解面在裂纹源附近，沿晶断裂是裂纹扩展区及瞬断区主要显示的特征，并且呈较为明显的冰糖状[3]。阀杆断口裂纹走向呈垂直状态且表面附着的晶粒轮廓较为明显和清晰，该晶粒表面有爪痕状撕裂条纹，与氢元素导致沿晶脆性断口现象基本符合。S41300马氏不锈钢是断裂阀杆制造材料。该材料虽具有强度高等优点，但韧性、塑性等方面性能较差，尤其是对氢元素较为敏感。在应力的作用下，使得氢元素在应力集中区富集，进而导致电站阀门阀杆极易出现氢脆。由此可知，电站阀门阀杆断口明显符合氢元素导致的沿晶脆性断口特征。

1.5 具体断裂原因分析

当电站阀门阀杆无法正常电动操作时，需要采取手动进行操作。由于手动操作无力矩保护，导致与阀杆相连接的阀瓣被卡死在两个阀座之间。结合图 1阀门结构分析，发现当阀杆不能正常提拉时会使得阀杆与阀瓣两者之间的接触面产生较大的扭转力矩，应力作用下，当阀杆承受扭转力矩时，阀杆变截面倒角处为应力集中点，也就是阀门发生断裂的位置。综上所述，当电站阀门阀杆无法正常提拉时，仍需要承受较大的扭转力矩，进而诱发阀门断裂。

因 S41300马氏不锈钢是阀门的主要制造材料，根据硬度测试结果可知，该材料硬度明显高于相关标准要求最低数值，阀杆材料硬度过高会影响阀门正常提拉。由拉伸试验结果可知，虽然拉伸强度高于相关标准要求，但是塑性指标并不符合相关标准要求，加上冲击试验结果显示，冲击吸收功较低，使得阀杆材料整体冲击性能较差。总的来说，强度高、韧性低以及塑性低是断裂阀杆的明显特征，同时断裂阀杆材料对氢元素与表面“缺口效应”相对敏感。在高于屈服强度的应力作用下，电站阀门阀杆极易发生氢致脆性断裂。此外，阀杆与阀瓣相互接触面因加工质量问题出现“沟痕”，会使连接处接触表面产生“缺口效应”。由此可知，阀杆的材料性能、对氢脆敏感以及加工质量问题是导致电站阀门阀杆出现断裂故障的实质原因。

1.6 试验结论

通过对断裂阀杆开展各项试验，并得出相应的数据。对数据进行深入的分析和探究，总结了电站阀门阀杆出现断裂的原因主要涉及以下几个方面。

(1) 沿晶脆性断裂。阀杆与阀瓣相连接区域变截面倒角处是阀杆断裂常见位置，阀杆端口整体呈平坦状态，阀杆表面均有主裂纹与次裂纹存在，符合氢致沿晶脆性断口特征。阀杆材料的力学特征不符合相关要求，加上该材料对氢元素较为敏感，是导致其断裂的原因之一。

(2) 机械故障。造成阀杆不能正常提拉，是因与阀杆相连接的阀瓣卡死在两个阀座之间。在此过程中，阀杆仍需要承受较大的扭转力矩，进而引发电站阀门阀杆出现断裂故障。

(3) 阀杆与阀瓣的接触面因加工质量问题，使得接触面存在“沟痕”，易产生“缺口效应”。各项试验结果表明，阀杆材料强度高、韧性低、塑性低是阀杆断裂故障较为明显的特征。

2 防止电站阀门阀杆断裂的措施

根据电站实际运作情况，应进一步改进与完善阀门阀杆结构设计，提升阀杆能够承受的扭转力矩，并选择合适的阀杆制造材料。材料的选择除了符合硬度相关标准要求以外，还要增强阀杆整体韧性与塑性[4]。为有效防止电站阀门阀杆再次发生类似的断裂故障，电站运维人员应检测与断裂阀杆同一生产批次的阀杆硬度，一旦发现不符合规定标准要求的阀杆，必须及时更换，以此减少电站阀门阀杆断裂故障的发生。同时电站应加大阀门操作培训力度，邀请专家开展讲座活动，确保电站每个工作人员都能精准地掌握操作技巧，逐渐养成严格按照相关规范要求来进行操作的习惯，规范员工操作行为，避免因人为因素导致阀门阀杆出现断裂故障。安装阀门扭转力矩保护装置，并加大对电站各运行部位防护力度，有效预防阀杆断裂等类似故障的发生，在有效降低电站阀门阀杆出现类型断裂故障的几率的同时，也能减少电站机组运维费用与工作量。

为提升电站设备运行的安全性与稳定性，从运行疲劳与应力集中这两方面入手，对电站阀门阀杆的整体结构和工作环境进行调整和改善。调整电站机组整体性能及阀杆制造材料，在一定程度上能够有效减轻电站设备运行时对阀杆产生的振动；对阀杆与阀瓣接头处应力集中部位进行修整，缩小阀杆与阀瓣之间的间隙；尽可能选择抗氧化性、硬度、韧性与塑性指标较好的材料，加强阀杆加工质量审核，保证阀门阀杆表面平滑性，避免阀杆应力过于集中；另外，加强与部件供应厂家加强沟通，合理设计电站阀门阀杆结构，最大限度减少电站阀门阀杆断裂故障的发生，有效增加阀杆使用寿命，提升电站整体运行的安全性。

除此之外，应充分考虑电站运行的特殊性，使电站阀门阀杆的设计、安装以及拆卸符合电站运行的条件和要求，明确阀杆与各连接部件之间的硬度差异，同时对阀门阀杆采取防腐蚀措施，在有利于降低阀杆断裂故障发生几率的同时，确保电站中各项设备安全稳定运行。在选择阀门阀杆时必须要明确金属成分、硬度以及拉伸等各项参数的指标要求，最大限度达到电站安全运行标准及居民用电需求。

3 结语

通过对电站阀门阀杆出现断裂的原因进行分析和研究，发现导致阀门阀杆断裂的原因有自身承受力差、阀杆材料质量不达标等因素。为了防止电站阀门阀杆断裂等一系列故障的发生，电站运维人员应对阀杆硬度等进行检测，一旦发现阀杆硬度超出规定标准，及时对阀杆进行更换，同时应加强对电站相关人员操作的培训，有效降低电站阀门阀杆断裂故障发生的几率。