汽轮机中压调节汽阀阀座开裂原因分析

汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式热能动力机械，具有效率高、功率大、转速容易控制、寿命长、运转安全可靠等优点，因此被广泛地应用在发电、冶金、石油化工、交通运输、轻工业等行业。在化工装置中应用的汽轮机汽轮机主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机等，还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。而且化工装置中应用的汽轮机，具有数量多、品种杂、用途广、高参数、大容量、高转速、变转速、单系列运行自控联锁程度高的特点。在热电厂中汽轮机更是得到广泛应用。随着汽轮机发展，汽轮机工作的环境也越来越苛刻，而调节阀是汽轮机中工作参数最高的部件，是汽轮机安全运行的关键部件，实现汽轮机进气量调节［1］，在需要时起紧急阻断进汽的作用，而在汽轮机启动时用以控制汽轮机转速［2］。

本文研究的是某热电厂汽机车间CC60－8.83/4.7/1.47型汽轮机中压调节阀阀座GK04.311Z 在09 年7 月5 日检修时发现破裂。该汽轮机的中压调节汽阀入口压力为4.2 ～4.6 MPa，出口压力为1.2 ～1.6 MPa;入口温度是440 ～470 ℃，出口温度是310 ～340 ℃;阀套与阀芯材质均为:25Cr2MoVA，阀座材质:30Cr1Mo1V。该型汽轮机中压调节阀阀座自2005 年至今，每年均在检修时发现断裂，此次发现断裂距上次检修更换阀座已运行一年零两个月时间。汽轮机中压调节阀技术要求高，只有满足该零件热处理后的力学性能和硬度均匀性要求，才能正常工作［3］，为此本文主要研究开裂阀座的原因及处理方法。

1 试验分析

对开裂阀座进行取样，对试样进行基材化学分析、力学性能检测及硬度测试、断口形貌等进行分析，试验分析及结果如下:

1.1 化学成份分析

在开裂源区取样，对合金元素进行分析，主要合金元素含量如表1 所示。

表1 阀座主要合金元素含量
Table 1 Content of main alloying elements for walve seat

通过化学成份分析结果与30Cr1Mo1V 材料成份标准比较，发现结果在标准范围，表明该材料符合设计要求。

1.2 断口宏观形貌

通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题:如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段［4］。

图1 断裂位置照片
Fig.1 Picture of crack position

图2 断裂位置断件照片
Fig.2 Picture of fracture

取试样进行分析，阀座断裂位置发生在凸台位置，详见图1，断口附近没有塑性变形。图2 为断裂位置断裂开的阀座碎片，从断口上可以看到有多处光滑磨痕，这是因断裂过程中不断摩擦造成的，起裂点在机加工凸台位置附近，由于断裂过程的摩擦，只能依稀看见少量贝壳状条纹指向中心。裂纹沿凸台向下扩展，扩展为2 条裂纹，一条裂纹已裂开，另一条裂纹如图1 所示(直线长度39 mm)。裂纹扩展过程中可见放射状撕裂棱线，由于扩展的条件不同，棱线呈现疏密程度不一。随断裂的向前推移，在另一侧的凸台下方又发生次生开裂，如图1(直线长度28 mm)，由于该处凸台附近剧烈磨损，不能断定该裂纹是否为另一裂纹源引起。裂纹最终在开裂源的另一侧凸台附近断裂，断裂处颜色成浅灰色，粗糙无光泽，断口形貌呈内凹，可见剪切唇，如图2 所示。由于在断裂过程中摩擦剧烈，断口已失去明显的断裂特征。

1.3 断口微观形貌

通过对断口的微观形貌分析可以更进一步判断出裂纹的发生机理，更准确地确定裂纹产生原因。用丙酮对断口进行清洗后，在扫描电镜下观察，裂纹的源区和扩展区形貌基本相同，同时可见清晰的疲劳条纹(图3)，且有大量二次裂纹产生，瞬断区可见轴向韧窝(图4、图5)，由以上分析判断该断口为疲劳断口。

图3 扩展区形貌
Fig.3 Morphology of propagation zone

图4 瞬断区微观形貌
Fig.4 Micro－morphology of fracture zone

图5 瞬断区微观形貌
Fig.5 Micro－morphology of fracture zone

1.4 硬度测试

对断口凸台上方、凸台下方取8 个位置进行硬度测试，测得硬度值在200 ～255 HB 范围，凸台硬度值高而其余部位硬度值略低，如图6 所示。

图6 凸台硬度测试结果
Fig.6 Hardness test of boss

1.5 金相组织分析

用XJG－05 大型金相显微镜对断裂部位进行金相组织观察，如图7 所示，发现金相基体组织为索氏体+少量块状马氏体+微量铁素体块+碳化物，该试样组织为调质状态组织，且伴有块状夹杂物。

图7 断口金相组织
Fig.7 Fracture－metallographic

2 检验结果分析

经过宏观断口分析、硬度测试、化学成分分析及金相分析，阀座材料符合设计要求，阀座凸台部位硬度值偏高，基体组织因受锻造后热处理影响以回火索氏体为主，同时伴有少量块状马氏体，故硬度值略高。

断裂部位发生在凸台部位，此部位为应力集中部位，当阀芯工作时使阀座与阀套接触部位频繁不断受到上下应力作用，导致该接触部位断裂，由于凸台及与凸台连接的阀套部位均为圆形结构，保证受力均匀，当其中之一发生变形，则二者相接触的受力面积减小，局部应力增大，导致断裂。通过安装人员了解到，外部阀套已经呈椭圆形变形，建议今后在维修机组时，阀杆与阀杆套的间隙必须要用专用工具测量，尽量避免阀杆在受到蒸汽的脉冲扰动时发生摆动，加速阀座的变形和损坏［5］

3 结论及建议

3.1 结 论

综合以上分析判断，导致阀座断裂的主要原因为外部阀套的变形，加之阀座凸台部位应力集中及硬度偏高，导致阀座频繁断裂。

3.2 建 议

对开裂的汽轮机中压调节阀外部阀套进行更换。