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2017年，遼寧某電廠在檢修期間發(fā)現(xiàn)，中壓調(diào)速汽門(mén)預(yù)啟閥閥碟開(kāi)裂失效。

中壓缸進(jìn)汽閥設(shè)計(jì)為兩臺(tái)聯(lián)合汽門(mén)，聯(lián)合汽門(mén)由中壓調(diào)速汽門(mén)和中壓主汽門(mén)合并在一個(gè)閥殼內(nèi)，雖然它們利用一個(gè)共同的閥殼，但這兩個(gè)汽門(mén)的功能是不同的，各自有獨(dú)立的操作控制裝置。中壓調(diào)速汽門(mén)設(shè)計(jì)獨(dú)立的閥碟組件，主閥碟內(nèi)部設(shè)有預(yù)啟閥，在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)降低主閥碟前后壓差，減小閥門(mén)開(kāi)啟力。

圖1 失效預(yù)啟閥宏觀形貌

對(duì)中壓調(diào)速汽門(mén)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)閥桿輕微積存氧化皮，襯套完好無(wú)斷裂，拆除閥蓋后吊出預(yù)啟閥，可見(jiàn)預(yù)啟閥止轉(zhuǎn)銷(xiāo)截面存在明顯裂紋，如圖1所示，已不能滿(mǎn)足正常使用要求。

表1 中壓調(diào)速汽門(mén)基本參數(shù)

失效中壓調(diào)速汽門(mén)基本參數(shù)見(jiàn)表1；開(kāi)裂閥碟材料是汽輪機(jī)用GH901高溫合金，閥碟直徑是290mm；銷(xiāo)子材料是2Cr12NiMo1W1V鋼，直徑是85mm。

為查明該預(yù)啟閥閥碟開(kāi)裂失效原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，并提出了改進(jìn)措施。

理化檢驗(yàn)

由圖1可見(jiàn)，止轉(zhuǎn)銷(xiāo)和閥碟結(jié)合比較緊密，從裂紋未貫穿一側(cè)沿橫截面方向機(jī)加工切開(kāi)，打開(kāi)裂紋貫穿一側(cè)斷口，發(fā)現(xiàn)斷口和止轉(zhuǎn)銷(xiāo)接觸面存在脫落的氧化皮。

圖2 閥碟斷口宏觀形貌

由圖2可見(jiàn)：斷口表面顏色呈灰黑色，兩斷裂面嚙合性好，無(wú)明顯塑性變形；斷面明顯可分為3個(gè)區(qū)域，即A區(qū)纖維區(qū)，B區(qū)放射區(qū)，C區(qū)剪切唇區(qū)；其中B區(qū)有明顯的放射狀條紋，屬于典型的脆性斷口，放射狀條紋發(fā)射的反方向指向裂紋源，即A區(qū)。

分別從閥碟近表面和中心部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 閥碟化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

對(duì)止轉(zhuǎn)銷(xiāo)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 止轉(zhuǎn)銷(xiāo)化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

根據(jù)資料，閥碟材料為GH901高溫合金，參照《中國(guó)航空材料手冊(cè)》（第2版）第2卷對(duì)GH901材料成分的要求，閥碟表面和心部的化學(xué)成分均符合該手冊(cè)技術(shù)要求。止轉(zhuǎn)銷(xiāo)化學(xué)成分分析結(jié)果滿(mǎn)足GB/T 8732－2004 «汽輪機(jī)葉片用鋼»對(duì)2Cr12NiMo1W1V鋼成分的技術(shù)要求。

分別從閥碟和閥桿處取拉伸、沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，取樣位置見(jiàn)圖3和圖4，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

圖3 閥碟拉伸和沖擊試驗(yàn)取樣位置

圖4 閥桿拉伸和沖擊試驗(yàn)取樣位置

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表4拉伸試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：閥碟近表面及中心位置材料斷后伸長(zhǎng)率很低，材料斷裂時(shí)無(wú)明顯塑性變形；閥桿的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均高于閥碟的，但仍不符合《中國(guó)航空材料手冊(cè)》對(duì)GH901高溫合金材料的技術(shù)要求。

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表5沖擊試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：閥碟近表面、中心位置及閥桿的沖擊吸收能量都很低，均不符合《中國(guó)航空材料手冊(cè)》對(duì)GH901高溫合金材料的技術(shù)要求。

對(duì)閥碟斷口面取樣進(jìn)行金相分析，金相取樣位置為圖2中2號(hào)試樣的縱截面和3號(hào)試樣的橫截面，草酸水溶液電解侵蝕，金相分析結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 2號(hào)試樣縱截面顯微組織形貌

圖6 3號(hào)試樣橫截面拋光態(tài)形貌

由圖5和圖6可見(jiàn)：閥碟材料的顯微組織主要為奧氏體和晶間碳化物；對(duì)2號(hào)試樣的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)量，晶粒度等級(jí)為2級(jí)；對(duì)3號(hào)試樣拋光態(tài)形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有大量的孔洞。

掃描電鏡(SEM)取樣位置為圖2中的A區(qū)，掃描電鏡分析結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 A區(qū)斷口SEM形貌

圖8 A區(qū)斷口上孔洞SEM形貌

閥碟A區(qū)斷口上存在大量孔洞，見(jiàn)圖7。部分孔洞已經(jīng)連接成線，見(jiàn)圖8a)；部分孔洞以孤立的點(diǎn)存在，見(jiàn)圖8b)，孔洞直徑在20~100μm。斷口上沒(méi)有觀察到明顯的疲勞斷裂特征。