高压主汽门阀杆断裂原因浅析

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【摘 要】浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司1号机组左侧高压主汽门在做全行程活动试验过程中阀杆断裂。通过分析阀杆材质、断口形状、受力情况等，初步找出了主汽阀阀杆断裂的原因。

【关键词】高压主汽阀；阀杆；断裂

1 设备简介

浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司（下简称滨海热电）汽轮机组为某汽轮机厂生产的300MW亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排气、抽汽冷凝式汽轮机，机组型号为C280/N300-16.7/ 538/538。主蒸汽进入布置于高中压合缸两侧与基础固定联结的两个高压主汽调节联合阀，由6个调节阀（每边3个）经6根高压挠性导汽管，按一定的顺序从高中压外缸的上半和下半通过钟形套筒分别进入高压缸的6个喷嘴室。滨海热电一号机组自2011年6月28日投入商业运行以来，共计开、停机12次，主汽门全行程活动试验3次，松动试验22次。滨海热电一号机组于2012年11月22日至2013年1月9日经过首次检查性大修，当时主汽门检查并未发现异常。

2 故障情况

依据汽轮机厂和《二十五项反措》要求，滨海热电运行人员于2015年4月17日13：21进行一号机机组定期汽门活动性试验，在做左侧主汽门松动试验过程中，当其开度从75%上升到80%时，机组负荷从180MW突降至135MW，调节级压力从7.15MPa突降至5.15MPa，所有6个调门全开，此时运行人员手动干预，机组负荷有所回升，但只维持在172MW左右。10分钟后，汽机专业人员发现左侧主汽门温度出现持续下降，初步判断左侧汽门阀芯已脱落。为进一步确认，CRT上单独全开全关左侧主汽门，发现机组负荷基本没有变化。停机解体左侧主汽门，发现主汽门阀杆断裂、阀芯脱落。

3 原因分析

3.1 阀杆材料分析

汽轮机厂家提供的设计图纸表明，高压主汽阀阀杆材料为C422，即2Cr12NiMo1W1V。2Cr12NiMo1W1V钢是强化的12% Cr型马氏体耐热不锈钢，其合金元素 Cr、W、Mo含量略高，国标GB/T 8732-2004要求的化学成分见表1所示，所要求的机械性能标准如表2所示。为增加表面硬度，除30°角表面，其余部位皆进行了渗氮处理。

表1 阀杆的化学成分

元素 C Si Mn P S Ni Cr Mo W V Cu

含量 0.20-0.25 ≤0.50 0.50-1.00 ≤0.030 ≤0.025 0.50-1.00 11.0-12.5 0.90-1.25 0.90-1.25 0.20-0.30 ≤0.30

表2 阀杆材料的机械性能标准

机械性能 抗拉强度 屈服强度 冲击功 硬度 断后伸长率 断面收缩率

≥930Mpa ≥760Mpa 11J 277-311HBW 12% 32%

3.2 断口宏观分析

阀杆断裂的断口位于阀杆的变径处，如图1所示。断口宏观形貌如图2所示，断口具有如下宏观特征：

（1）阀杆断裂的部位出现在阀杆变径处，是应力集中部位，见图1的（b）所示。

（2）阀杆断面呈粗糙颗粒状，无明显塑性变形，属于典型的脆性断裂。且断面无明显的疲劳源、贝纹线，依据上述特征判断：疲劳断裂的可能性较小。

（3）断面整体呈圆台侧边状，说明裂纹扩展基本上是沿着连接大小直径的连接面扩展，在该连接面上裂纹扩展速率最快。因此可以认为，这种断裂主要是阀杆变径的结构设计存在一定的缺陷造成的，这种设计缺陷使得大小直径连接面（即图1（b）中的约45°斜面位置）成为裂纹最容易扩展的路径。

（4）断面外延大直径处断口高低起伏不平，从大直径向小直径的约1/3处断面逐渐开始均匀，推测裂纹从小直径处向大直径处发生单向扩展。

（5）阀杆断面进内壁处有一圈明显较为光滑，可能是由于在加工过程中精度不够，造成小直径处有刻槽，导致缺口敏感性增加，初步判断裂纹在该部位起源。

从上述分析可以初步推断：断口发生在阀杆最薄弱的截面，属于典型的脆性断裂，无明显的疲劳迹象，发生断裂与瞬时应力状态密切相关。

图1 断裂后的阀杆

（a） 整体形貌；（b） 断裂位置

图2 阀杆断口宏观形貌

（a） 阀杆大头断面；（b）阀杆小头断面

3.3 预启阀弹簧及弹簧座机械损伤情况分析

检查发现预启阀弹簧与弹簧座均发生了较严重的机械损伤，如图3各照片中的各个箭头所示。从磨损位置分析可知，在安装过程中弹簧与弹簧座装配不正，导致弹簧的轴线与阀杆的轴线不在一条直线上。弹簧下端面局部起初卡在弹簧座上端面局部位置，使得图3（a）中的箭头2和图3（c）中的箭头4处出现较严重的磨损；当弹簧下端面磨损到一定程度或由于该位置由于应力集中发生局部破碎，使得该位置弹簧下移，弹簧下端内侧面（箭头1）接触到弹簧座侧面（即箭头5），从而发生严重的摩擦。弹簧下端面另一部分以锋锐的外边缘歪斜地抵着弹簧座下基面，造成下基面局部较深的磨损，如图3（c）中的箭头6所示。同时由于轴线不正，导致弹簧上端的外侧部分接触到旁边的卡位环（如图1b），使得出现图3（b）中的箭头3处和图3（d）中箭头7处的磨损。

从上述损伤情况可以推断，由于弹簧的偏斜，一方面使得阀杆动作过程受力不均匀，另一方面，需要增大执行力，使得阀杆局部应力加剧。