汽轮机调节阀阀杆断裂失效分析

房文轩，陈 浩，孙云飞，杨晓冬，刘小恺

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

汽轮机调节阀能够改变进入缸体的蒸汽流量，其组件动作是否灵活、行程是否准确直接影响汽轮机转速和机组负荷的稳定控制。调节阀内部充满了高温高压蒸汽，蒸汽紊流引起脉冲，导致阀杆受力不断变化，振动频繁[1]。阀杆所受冲击力一旦超出材料的承载极限，就会造成阀杆失效，威胁机组的安全稳定与经济运行。某火电机组在运行过程中发生了汽轮机调节阀阀杆断裂故障，本文通过力学性能测试、金相组织检验、有限元模拟等方法对阀杆断裂原因进行研究，避免同类问题的发生，保证电源生产的可靠性。

1 故障情况

该机组调节阀阀杆断裂于光杆向螺杆过渡的变截面部位（见图1），过渡角为90°，光杆处直径为75 mm，螺杆处直径为42 mm。阀杆整体未见弯曲，也不存在严重的机械、腐蚀损伤痕迹。断裂面整洁，无明显塑性变形，带有疲劳辉纹形貌。靠近变截面部位可以观察到多个台阶，这些台阶实际上是由多个裂纹源连接而成[2]。

图1 调节阀阀杆断裂情况

调节阀阀杆材质为35CrMo钢，碳质量分数在0.35%左右，属于典型的中碳合金钢。断裂面疲劳扩展区和瞬时断裂区界限分明，疲劳扩展区较为平坦、细腻，色泽灰暗，约占整个断裂面的40%。剩余部分为瞬时断裂区，颗粒粗糙，存在许多强烈反光的小平面，是最后裂纹快速延伸、劈开形成的区域。

2 试验分析

2.1 微区形貌

选择螺杆侧断口，经超声波清洗后吹干，通过HITBCHI S-3700N型扫描电镜（SEM）进行阀杆微区形貌分析。阀杆断裂起始于变截面部位边缘，靠近裂纹源的疲劳辉纹非常密集（见图2），疲劳辉纹的扩展方向、路径并不完全一致，表明此处应力情况复杂。阀杆的瞬时断裂区呈现出河流花样，具有解理断裂特征[3]。相邻解理面之间为撕裂棱。

图2 阀杆微区形貌

2.2 化学成分

在距离螺杆侧断口附近位置径向截取试样，采用SPECTRO MAXx型直读光谱仪进行阀杆近表面、中心区全元素化学成分检测，结果如表1所示。从表1可见，阀杆近表面、中心区化学成分差别甚微，除了Mo元素以外，其余各元素质量分数均满足GB/T 3077—2015《合金结构钢》对35CrMo钢的技术要求[4]。钢材中加入Mo元素的主要作用是防止高温（第二类）回火脆性，若Mo元素含量偏高会增加钢材石墨化倾向、降低材质强度。

表1 阀杆各化学成分质量分数 %

2.3 力学性能

通常35CrMo合金钢调质处理（淬火+高温回火）后，应具有较好的综合力学性能。沿着光杆侧轴向制作拉伸试样2根、冲击试样3根，分别在SHT4206、ZBC300型试验机上进行常温测试，根据测试结果（平均值）判断阀杆强度和韧性是否符合要求，结果见表2。

表2 阀杆力学测试结果

阀杆的Rm、Rp0.2均远远低于GB/T 3077—2015《合金结构钢》的规定。材料的疲劳极限与抗拉强度为正比例关系，增大自身抗拉强度有利于提升抵抗疲劳失效的能力，由此可以推断出阀杆的疲劳极限不高。缺口冲击测试结果显示，阀杆的KU2只有42 J，不满足标准要求，表明材质的韧性较差。

2.4 金相组织

使用Axio Observer A1m型显微镜观察研究螺杆侧断口附近位置的金相组织形态变化。阀杆的金相组织沿径向较均匀，为层片状珠光体+网状铁素体，铁素体沿晶界分布，如图3所示。靠近中心区铁素体含量增多，占比约12%。

图3 阀杆金相组织

根据热处理制度，35CrMo钢需850℃淬火油冷+550℃回火水冷或油冷，得到回火索氏体。回火索氏体是铁素体和碳化物的混合物，韧性与塑性优异，强度与硬度较高。若调质处理参数不当，淬火温度过低、保温时间不足时，组织未能完全奥氏体化，在之后的冷却过程中，铁素体会部分溶解、大量遗留[5-7]。阀杆中铁素体越多，持久强度越差[8-11]，而且铁素体不如回火索氏体对裂纹扩展阻力大[12-13]，金相组织检验结果佐证了力学性能测试结果。

3 应力分布仿真计算

根据调节阀阀杆的设计图纸和测量数据构建几何模型，进行应力水平仿真计算。采用二阶四面体元素法进行网格划分，单元总数为13 336，节点总数为23 194。充分考虑阀杆在运行过程中的受力状态，对阀杆施加轴向拉伸载荷和弯曲载荷，应力水平计算结果如图4所示。

图4 阀杆应力分布

由图4可见，光杆向螺杆过渡的变截面部位等效应力最大，存在较高程度的应力集中，最大值为928.96 MPa，微裂纹极易在此薄弱位置产生[14-16]。

4 结论

结合试验及仿真计算结果，综合分析认为该汽轮机调节阀阀杆断裂主要原因为：

（1）阀杆冲击吸收能量低，不符合标准要求。阀杆的金相组织不佳，存在大量网状铁素体，强度不高、脆性较大。

（2）阀杆断裂于光杆向螺杆过渡的变径部位，该部位采用直角过渡形式，未采取圆弧或倒角处理工艺。局部应力集中情况严重，远高于阀杆的屈服强度，促进了微裂纹的形成。

（3）在调节蒸汽流量时，质量不合格的阀杆频繁承受拉压、弯曲等多种交变载荷的作用，造成变截面部位边缘损伤。随着时间的推移，损伤部位以疲劳的形式不断扩展，当阀杆的有效承载面积不断减小直至临界值，阀杆即发生解理断裂。