（华电能源牡丹江第二发电厂汽机检修分公司 黑龙江牡丹江 157015）
摘要：某电厂CN300—16.7/537/537型汽轮机，哈尔滨汽轮机厂有限责任公司制造，发生两支中调门门杆断裂事故，造成运行机组被迫停机。针对中调门门杆断裂事故，对中调门的设计、构造、制造工艺、运行状况等多方面进行分析、印证，查找门杆断裂的原因，遵循“求实、务实、细化、深化”的原则，着力消除设备隐患、防范事故和非计划停运，将事故隐患消灭在萌芽状态，确保设备的可靠性和机组的安全运行。
关键词：汽轮机；中压调速汽门；门杆断裂
一、现状调查及设定目标
某电厂事故前，某某热电厂同类型机组，刚进入采暖期时发生#1中压调速汽门（简称中调门）门杆断裂，阀门无法开启。为不影响机组正常供热，在#2中调门正常工作的状态下，机组继续运行。三个月后#2中调门发生门杆断裂，机组被迫停运61小时。还有案例：襄某300MW的机组因汽轮机右侧中调门门杆与阀芯连接处断裂，机组停运116.9小时；宿某发电有限公司#1、2机组汽轮机中调门门杆曾多次发生断裂。
以上出现门杆断裂的中调门，均是哈尔滨汽轮机厂CN300—16.7/537/537型汽轮机，如此频繁的发生门杆断裂现象，表明设备质量、运行方式等方面存在问题，此类型汽轮机与某电厂机组相同，依据中调门门杆备件、某某电厂现场检修资料及机组小修解体中调门检查等方式，分析门杆断裂的原因，同时制定出相应有效的预防措施和整改措施，避免某电厂机组发生类似事故。
二、分析问题的原因
通过对某某电厂事故比对，了解门杆断裂事故发生的原因和处理过程，掌握断裂门杆的相关技术资料，与某电厂的中调门门杆进行对照分析，找出门杆断裂的原因及存在的隐患。
1.基本情况
中压调速汽门门杆（下称门杆）制造流程为下料→调质→粗加工→半精加工→氮化→精加工。门杆结构螺纹杆体、中心孔、漏气平衡孔（下称平衡孔）构成，平衡孔所处杆段外壁无螺纹，断裂发生于此段平衡孔处。
门杆材质为2Cr12NiMo1W1V，工作介质均为537℃过热蒸汽。杆体外径49.5mm，中心孔直径18.5mm，从断裂的平衡孔处测量管壁较薄和较厚处（相对位置）尺寸为15mm。
2.宏观检验
门杆的断裂区域均存在两个横向垂直、纵向相距约20mm的平衡孔，平衡孔边缘较尖，未做圆角过渡处理，断裂发生于平衡孔处，此处受力截面最小，断口与平衡孔壁的八个交汇处均呈直线，直线区处在平衡孔的平分面上，直线区断口较平坦，有垂直于“直线”的发散条纹，“直线位置”应为启裂区。整个断口被两个平衡孔分割为四个部分，每个1/4部分的断口形式基本相同，大致呈“Z”型，黑灰色，“Z”型中间段（基本平行于杆体纵向）的断口有明显的塑性变形和擦伤痕迹，断口附近的门杆外表面存在多条平行条纹，部分条纹已发展为小裂口，，“Z”型中间段应属最终断裂区。当两侧“直线区”的裂纹扩展到一定程度，门杆失稳，“Z”型中间段发生最终的快速断裂。
3.力学性能测试
在断裂区附近的螺纹段管材上取拉伸（纵向）、冲击（横向）试样，在门杆上取样进行了力学性能指标测试（门杆热处理制度系送检方提供），参考标准GB/T8732-2014中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定。结果见下表：
5.金相检验
门杆的螺纹杆段、漏气平衡孔处、断口附近取样进行了金相分析。螺纹杆段试样检验面为杆体横截面，漏气平衡孔处试样检验面为平衡孔纵截面。
均可见明显渗氮层，组织为ε相+富氮回火索氏体，螺纹杆段1/2厚度处金相组织为回火索氏体，漏气平衡孔处的杆体外表面、杆体内表面、平衡孔内壁处渗氮层明显，平均深度约为0.4mm，与平坦的“直线区”断口（启裂区）宽度相当，对渗氮层进行了显微维氏硬度测试，平衡孔壁的渗氮层中可见裂纹，启裂于渗氮层表面（即平衡孔壁），断口边缘与裂纹内均存在严重的氧化迹象。
6.扫描电镜断口观察
从门杆的断口处取样进行了扫描电镜观察，整个断口面均被厚厚的氧化层覆盖，断口的本来形态无法观察，氧化层应属高温氧化所致。
7.讨论分析
（1）1#门杆力学性能测试结果中Rp0.2值稍低于标准GB/T8732-2014中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定；2#门杆力学性能测试结果中Akv值低于标准GB/T8732-2014中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定。
（2）从金相分析结果看，1#、2#门杆的杆体及漏汽平衡孔处杆段均进行了渗氮处理，渗氮层深度与启裂区宽度相当。两件门杆1/2厚度处金相组织均为回火索氏体，属调质态正常金相组织。未发现门杆存在原始缺陷。
（3）两件门杆的中心孔均存在偏离杆心的现象。漏汽平衡孔边缘较尖，未做圆角过渡处理，易于发生应力集中现象，且渗氮时漏汽平衡孔处杆段未作防护，使其表面具有较大脆性，较脆的应力集中区在受外力作用时，容易萌生裂纹，进而发生断裂。断口呈黑灰色，应属高温氧化所致。
（4）两件门杆的断裂形式、宏观断口形貌基本相同。门杆经调质后进行表面渗氮处理，使得门杆表面强度较高、硬脆性较大，难以发生塑性变形或弹性变形，门杆心部塑韧性较好。高温状态运行时，轴向力使门杆有纵向微量伸长趋势，当轴向力迫使门杆发生变形时，平衡孔的应力集中部位（即受力截面最小处）的表面硬脆层将发生脆性开裂，形成平坦的直线区断口。此脆性开裂区受力截面最小，处在平衡孔的平分面上（即门杆横截面），为整个断口的启裂区，已形成的开裂缺口将进一步加强应力集中效应，对裂纹的后续扩展起重要的促进作用。
（5）从门杆的使用环境、断裂位置、结构特征等方面分析，两件门杆的断裂性质应属高温蠕变。门杆心部金属发生蠕变变形时，表面硬脆层将承受更大载荷作用，受力截面最小的平衡孔平分面是应力集中较严重部位，在无法承受过大载荷时，漏汽平衡孔壁渗氮层即发生脆性启裂，启裂源进一步加重应力集中效应。在轴向力和高温共同作用下，裂缝以启裂点为源继续扩展（沿门杆横截面方向），当裂纹扩展到一定尺寸，未开裂部分不足以承受载荷作用，发生最终断裂。
结论
两件门杆的断裂性质应属脆性启裂的高温蠕变。在应力和温度作用下，平衡孔壁渗氮层最早发生脆性启裂，裂缝以启裂区为源继续扩展，当门杆受力部位不足以承受载荷时，导致最终断裂。在工艺或技术要求允许的情况下，考虑对漏汽平衡孔处杆段进行防渗氮保护；门杆避免超载、超温或偏载运行，中心孔尽量保证不偏心；漏汽平衡孔内壁尽量光滑，边缘做适当的圆滑过渡处理，门杆平衡孔部位受力截面最小，在不影响排汽压力的情况下，可缩小平衡孔的直径，适当增加平衡孔处的门杆横截面积，达到增强门杆强度的目的。
参考文献：
[1]《DL/T715-2015火力发电厂金属材料选用导则》
[2]《DL/T991-2016电力设备金属光谱分析技术导则》
论文作者:付开宇
论文发表刊物:《河南电力》2018年13期
论文发表时间:2018/12/27
标签：断口论文; 调门论文; 发生论文; 金相论文; 机组论文; 脆性论文; 应力论文; 《河南电力》2018年13期论文;