某電廠5號機組設(shè)計為620MW超臨界空冷機組，三大主機均為東方集團配套生產(chǎn)供貨，配置2臺50%汽動給水泵。該機組2006年6月28日開始建設(shè)，2008年6月1日投入商業(yè)運行。汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)，型號為NZK600-24.2/566/566，為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，采用高中壓缸合缸結(jié)構(gòu)，2個低壓缸均為雙流反向布置。2012年12月機組進行A級檢修時發(fā)現(xiàn)一側(cè)中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘斷裂。

    1 缺陷情況

    中壓調(diào)節(jié)閥安裝在汽輪機的每個中壓進汽管道上，起動期間，這些閥門也具有調(diào)節(jié)蒸汽去中壓和低壓汽輪機的控制能力。中壓調(diào)節(jié)閥出口通過中壓導汽管與汽缸進汽室連接。主閥碟通過閥桿和連接件與油動機的活塞連接。油動機活塞向下移動關(guān)閉閥門，向上移動打開閥門。閥門通過連桿施加向下的關(guān)閉力，中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘斷裂部位見圖1。

圖1 中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘斷裂部位

    中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘所用材料為20Cr1Mo1VNb-TiB，該材料屬于貝氏體耐熱鋼，具有優(yōu)良綜合性能，一般用于工作溫度小570℃的火力發(fā)電廠的高溫螺栓。該鋼對熱處理比較敏感，如熱加工控制不當，螺栓材料易出現(xiàn)肉眼可見的晶粒（粗晶）。

    2 實驗研究

    中壓調(diào)節(jié)閥工作時杠桿銷釘主要承受擠壓力及剪力，銷釘外表面未見損壞。可見銷釘斷裂不是由于擠壓力引起的破壞，銷釘所受剪力方向垂直于銷釘?shù)妮S線方向，與最大剪應力夾角45°方向是最大主應力方向。銷釘?shù)臄嗔逊较蚺c剪力方向基本呈45°方向，銷釘斷裂面基本上垂直于最大主應力方向，所以銷釘?shù)臄嗔咽怯杉袅σ鸬钠茐摹?/p>

    為查找中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘斷裂原因，對斷裂銷釘進行宏觀形貌分析，并依據(jù)圖2進行取樣分析，取樣包括化學成分、金相、斷面硬度及沖擊試驗，試驗結(jié)果參照DL/T439-2006。

圖2 中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘取樣示意圖

    2.1 宏觀形貌分析

    宏觀觀察銷釘?shù)男蚊部芍瑪嗫谄鹆烟帪橹睆綖?02mm和80mm的交界的臺階根部，屬于應力集中部位，斷口沒有明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂。斷口已經(jīng)磨損，沒有看到明顯的疲勞紋。斷口可見裂紋擴展區(qū)及最后瞬斷區(qū)，最后瞬斷區(qū)面積較小，銷釘剪應力較小，安全系數(shù)較大。斷裂銷釘宏觀形貌及宏觀斷口見圖3。

圖3 銷釘宏觀形貌

    2.2 化學成分

    化學成分測試采用ARL-3460直讀光譜儀進行測試，成分檢驗結(jié)果及標準要求見表1。可見，化學成分滿足標準對20Cr1Mo1VnbTiB的要求，可排除材質(zhì)錯用的問題。

表1 標準要求與實際成分測量（質(zhì)量分數(shù)，%）

    2.3 金相分析

    金相試樣經(jīng)過粗磨、細磨、機械拋光后應用4%的硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUSGX71金相顯微鏡下進行觀察，同時依據(jù)DL/T439-2006對其進行粗晶評級。金相組織見圖3。可看出，組織為回火貝氏體，晶粒粗大，可見黑色網(wǎng)狀奧氏體晶界，晶界上可見少量碳化物析出，依據(jù)DL/T439-2006對其進行晶粒級別檢驗，結(jié)果為宏觀粗晶，級別為2級，晶粒平均直徑大于0.5mm，不同位向的晶粒之間有較大的反差。

圖4 試樣金相組織

    DL/T439-2006規(guī)定晶粒級別為1，2級的20Cr1Mo1VNbTiB螺栓應報廢，中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘采用20Cr1Mo1VnbTiB材料，金相組織不合格。

    2.4 硬度分析

    對中壓調(diào)節(jié)閥杠桿斷裂銷釘?shù)臋M截面從外到心部等間距4處通過HBU-750布氏硬度計進行布氏硬度檢驗，檢驗結(jié)果分別為400、398、396、395HBW平均值為397HBW，DL/T439-2006對20Cr1Mo1V-NbTiB螺栓的硬度要求為252～302HBW中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘參照執(zhí)行，遠大于標準要求。硬度高說明銷釘?shù)膹姸雀撸苄约绊g性較低。

    2.5 沖擊試驗

    在銷釘外表面下5mm，沿銷釘周向均勻取6個沖擊試樣，試驗結(jié)果表明，U形缺口沖擊功平均值僅為2.2J。DL/T439-2006對20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的U形缺口沖擊功等于或大于M52的螺栓，Ak>47J。U形缺口沖擊功平均值遠低于標準要求，U形缺口沖擊功低，說明銷釘?shù)捻g性低，易引起銷釘?shù)拇嘈詳嗔选?/p>

    根據(jù)宏觀形貌分析及試驗結(jié)果，可知，中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘采用了20Cr1Mo1VnbTiB材料，由于熱處理工藝執(zhí)行不當導致金相組織、硬度和沖擊功不滿足標準要求，使得銷釘?shù)臎_擊韌性降低。銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)在承受剪應力的部位存在軸的變徑臺階，臺階根部在工作剪力下存在較大應力集中，在應力集中的作用下，最終導致斷裂。

    3 結(jié)論及建議

    （1）該杠桿銷釘化學成分合格，金相組織粗大，可見黑色網(wǎng)狀奧氏體晶界，粗晶2級，硬度高，沖擊韌性低，金相組織、硬度、沖擊功均不滿足標準要求。

    （2）銷釘由于結(jié)構(gòu)原因，存在較大的應力集中，同時銷釘?shù)捻g性極低，是銷釘開裂的主要原因。

    （3）建議對中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘進行金相及硬度檢驗，對不合格銷釘要及時進行更換。

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