某電廠5號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)為620MW超臨界空冷機(jī)組，三大主機(jī)均為東方集團(tuán)配套生產(chǎn)供貨，配置2臺(tái)50%汽動(dòng)給水泵。該機(jī)組2006年6月28日開始建設(shè)，2008年6月1日投入商業(yè)運(yùn)行。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)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(jī)，采用高中壓缸合缸結(jié)構(gòu)，2個(gè)低壓缸均為雙流反向布置。2012年12月機(jī)組進(jìn)行A級(jí)檢修時(shí)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(jī)的每個(gè)中壓進(jìn)汽管道上，起動(dòng)期間，這些閥門也具有調(diào)節(jié)蒸汽去中壓和低壓汽輪機(jī)的控制能力。中壓調(diào)節(jié)閥出口通過中壓導(dǎo)汽管與汽缸進(jìn)汽室連接。主閥碟通過閥桿和連接件與油動(dòng)機(jī)的活塞連接。油動(dòng)機(jī)活塞向下移動(dòng)關(guān)閉閥門，向上移動(dòng)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(duì)熱處理比較敏感，如熱加工控制不當(dāng)，螺栓材料易出現(xiàn)肉眼可見的晶粒（粗晶）。
2 實(shí)驗(yàn)研究
中壓調(diào)節(jié)閥工作時(shí)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(yīng)力夾角45°方向是最大主應(yīng)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(yīng)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(duì)斷裂銷釘進(jìn)行宏觀形貌分析，并依據(jù)圖2進(jìn)行取樣分析，取樣包括化學(xué)成分、金相、斷面硬度及沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)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(tái)階根部，屬于應(yīng)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(kuò)展區(qū)及最后瞬斷區(qū)，最后瞬斷區(qū)面積較小，銷釘剪應(yīng)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(xué)成分
化學(xué)成分測(cè)試采用ARL-3460直讀光譜儀進(jìn)行測(cè)試，成分檢驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求見表1。可見，化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20Cr1Mo1VnbTiB的要求，可排除材質(zhì)錯(cuò)用的問題。
表1 標(biāo)準(zhǔn)要求與實(shí)際成分測(cè)量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
2.3 金相分析
金相試樣經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光后應(yīng)用4%的硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUSGX71金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，同時(shí)依據(jù)DL/T439-2006對(duì)其進(jìn)行粗晶評(píng)級(jí)。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?yuàn)W氏體晶界，晶界上可見少量碳化物析出，依據(jù)DL/T439-2006對(duì)其進(jìn)行晶粒級(jí)別檢驗(yàn)，結(jié)果為宏觀粗晶，級(jí)別為2級(jí)，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(jí)別為1，2級(jí)的20Cr1Mo1VNbTiB螺栓應(yīng)報(bào)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(duì)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(jì)進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果分別為400、398、396、395HBW平均值為397HBW，DL/T439-2006對(duì)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?qǐng)?zhí)行，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。硬度高說明銷釘?shù)膹?qiáng)度高，塑性及韌性較低。
2.5 沖擊試驗(yàn)
在銷釘外表面下5mm，沿銷釘周向均勻取6個(gè)沖擊試樣，試驗(yàn)結(jié)果表明，U形缺口沖擊功平均值僅為2.2J。DL/T439-2006對(duì)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(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(dāng)導(dǎo)致金相組織、硬度和沖擊功不滿足標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力的部位存在軸的變徑臺(tái)階，臺(tái)階根部在工作剪力下存在較大應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的作用下，最終導(dǎo)致斷裂。
3 結(jié)論及建議
（1）該杠桿銷釘化學(xué)成分合格，金相組織粗大，可見黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界，粗晶2級(jí)，硬度高，沖擊韌性低，金相組織、硬度、沖擊功均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
（2）銷釘由于結(jié)構(gòu)原因，存在較大的應(yīng)力集中，同時(shí)銷釘?shù)捻g性極低，是銷釘開裂的主要原因。
（3）建議對(duì)中壓調(diào)節(jié)閥杠桿銷釘進(jìn)行金相及硬度檢驗(yàn)，對(duì)不合格銷釘要及時(shí)進(jìn)行更換。
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