程 志,檀 婷,羅汝凱,馬 力,李樂宇,鄧志偉,彭文屹*,閻 軍,龔 毅,劉華偉

(1. 南昌大學(xué)物理與材料學(xué)院,330031,南昌;2. 上海融諾實(shí)業(yè)有限公司,201612,上海;3. 江西德普礦山設(shè)備有限公司,334604,江西,上饒)

0 引言

在火電機(jī)組項(xiàng)目中,閥門是非常重要的核心設(shè)備。各種不同結(jié)構(gòu)的閥門應(yīng)用到機(jī)組的給水系統(tǒng)、主蒸汽再熱系統(tǒng)和輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)備中。閥門的主要作用是控制管道中主蒸汽的流向、流通面積,從而控制汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率[1]。閥桿零件常常處于高溫高壓的工作環(huán)境,承受的載荷也較大。閥桿的失效會直接導(dǎo)致閥門無法正常工作,情況嚴(yán)重時(shí),還可能導(dǎo)致機(jī)組非正常停機(jī),造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故不能忽視。因此,針對閥桿零件開展失效分析研究對保障機(jī)組的供電效率和供電安全具有非常重要的作用[2]。

當(dāng)閥桿發(fā)生失效時(shí),一般對失效閥桿的使用工況和服役歷史進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查并記錄事故現(xiàn)場的詳細(xì)情況。首先,將失效的閥桿拆解清洗保存,并進(jìn)行宏觀觀測。先使用有限元軟件對失效閥桿的結(jié)構(gòu)應(yīng)力做模擬分析,通過模擬零件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布,分析閥桿材質(zhì)、選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)力分布是否能夠滿足使用工況的要求[3]。再通過理化檢測對閥桿進(jìn)行成分檢測、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能檢測,判斷閥桿材料的成分和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。最后,綜合模擬分析和檢測結(jié)果判斷失效的原因,并提出相應(yīng)的改進(jìn)意見[4]。

本文采用有限元模擬和理化檢測的方法,針對火電機(jī)組主蒸汽閥用410不銹鋼閥桿的斷裂進(jìn)行失效分析,并提出改進(jìn)措施,為該零件的設(shè)計(jì)與使用提供建議。

1 失效閥桿的分析方法

1.1 有限元模擬分析

對已失效的410閥桿做有限元模擬分析,可計(jì)算出應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況,分析閥桿是否由于材料強(qiáng)度或外部載荷過大等原因?qū)е碌氖А２槭Х治鲅芯刻峁?shù)據(jù)支持,進(jìn)一步指導(dǎo)閥桿的設(shè)計(jì)和使用維護(hù)[5]。

1.2 理化檢測試樣制備和檢測

1.2.1 試樣制備及顯微組織觀察 使用切割機(jī)將閥桿沿著垂直閥桿斷口5 mm處切下,切割完成后,將試樣表面清洗干凈。首先,用洗滌劑和水清洗,清洗后用乙醇進(jìn)行去污處理,以確保試樣表面沒有油污和灰塵等雜質(zhì)。最后,使用70%乙醇和30%硝酸混合溶液進(jìn)行腐蝕處理,流水沖洗并吹干后再對試樣采用JEOL JSM-6390A掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測,觀察試樣的晶粒、組織結(jié)構(gòu)和缺陷的情況。

1.2.2 化學(xué)成分分析方法 從斷裂閥桿直段上距離斷口20 mm處,依據(jù)GB/T 222—2006和GB/T 223.3—1988標(biāo)準(zhǔn)對閥桿使用Z—2000型化學(xué)成分分析儀對其化學(xué)成分進(jìn)行分析。

1.2.3 力學(xué)性能測試方法 根據(jù)《GB/T228—2002金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》對閥桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從閥桿外表面到中心位置沿閥桿軸向取3個試樣進(jìn)行測試。測試儀器為AG-XPLUS型萬能試驗(yàn)機(jī),拉伸速率為5 mm/min。

2 閥桿失效分析

2.1 失效閥桿的基本情況

某電廠1×1 000 MW超超臨界機(jī)組使用的主蒸汽閥門為某進(jìn)口品牌的DN150 mm楔形雙閘板閘閥,工作介質(zhì)是過熱蒸汽和水,工作壓力為30.34 MPa,工作溫度372 ℃,閥桿材料為美標(biāo)ASTM 410馬氏體不銹鋼(與國標(biāo)牌號的1Cr13不銹鋼相當(dāng))。該閘閥在運(yùn)行3年后一次檢修過程中發(fā)現(xiàn)負(fù)荷異常,對該閘閥解體維修后發(fā)現(xiàn)閥桿螺紋底部和退刀槽連接部位發(fā)生斷裂,閥桿斷裂處無明顯的塑性變形(圖1)。

由于該主蒸汽閘閥采用的是楔形閘板結(jié)構(gòu),使得開閥時(shí)需要比關(guān)閥時(shí)提供更大的扭矩才能將閘板提升。針對這種情況,一般在設(shè)定電動執(zhí)行器時(shí),將電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開閥扭矩和關(guān)閥扭矩進(jìn)行分開設(shè)置,開閥扭矩比關(guān)閥扭矩設(shè)定值大30%左右,以保證閥門能夠正常開啟[6]。如果閥門電動執(zhí)行器的關(guān)閉扭矩和轉(zhuǎn)速設(shè)置過大,容易導(dǎo)致閘板和閥座的楔形表面發(fā)生卡澀,在閥門打開時(shí)需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供額外的扭矩。另外,過大的扭矩還會導(dǎo)致閥桿變形或斷裂。

2.2 有限元分析(FEA)

該失效閘閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)定扭矩值為70 Ft-lbs并通過減速比為6：1的減速箱給閥桿提供420 Ft-lbs的扭矩。所以,在進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)先對閥桿下端凸臺施加固定約束,上端螺紋處施加420 Ft-lbs扭矩值。定義閥桿材質(zhì)后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7]。

材質(zhì)、約束條件和載荷設(shè)置好之后運(yùn)行計(jì)算,運(yùn)行的結(jié)果分別以應(yīng)力值和應(yīng)變量顯示,得到的閥桿應(yīng)力和應(yīng)變分布圖,如圖2所示。閥桿零件的最大應(yīng)力(Von Mises)值為56.82 MPa,最大應(yīng)變(ESTRN)值為0.251 mm。最大應(yīng)力和應(yīng)變區(qū)域均為閥桿螺紋底部退刀槽處。

經(jīng)過上述有限元分析結(jié)果得出:當(dāng)閥桿處于正常工作狀態(tài)時(shí),閥桿螺紋底部退刀槽處為閥桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域,閥桿最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均發(fā)生在該部位。正常工作狀態(tài)下閥桿最大應(yīng)力約為56.8 MPa,遠(yuǎn)小于閥桿材料許用應(yīng)力164 MPa。有限元模擬分析結(jié)果表明閥桿在正常運(yùn)行狀態(tài)下應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。

但是,如果遇到閥門卡澀或者電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置不當(dāng)時(shí),執(zhí)行器的最大輸出扭矩可以達(dá)到180 Ft-lbs,此時(shí)閥桿上端螺紋的傳動扭矩值將增大至原來的3倍左右,即1080 Ft-lbs。重新用Simulation對閥桿零件進(jìn)行應(yīng)力模擬后得出:閥桿退刀槽處的應(yīng)力值約為172 MPa。該值已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥桿最大許用應(yīng)力164 MPa,非常接近閥桿材料的屈服強(qiáng)度(應(yīng)力應(yīng)變分布如圖3所示)。

電動閘閥在運(yùn)行過程中由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)向閥桿施加扭矩,如果電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩設(shè)置不當(dāng)使得閥桿所受的扭矩超出了其承載能力就會導(dǎo)致斷裂。本次斷裂失效的410閥桿的最大承載應(yīng)力在閥桿螺紋底部退刀槽處,如果將電動執(zhí)行器的扭矩設(shè)置到最大值180 Ft-lbs時(shí),閥桿退刀槽位置所受的應(yīng)力值已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力。在突然打開或關(guān)閉閥門時(shí)會引起閥桿受到?jīng)_擊載荷,特別是在高速流體流動的狀態(tài)下,這種沖擊負(fù)荷可能使閥桿產(chǎn)生過載斷裂[8]。

2.3 斷口處化學(xué)成分分析

從斷裂閥桿直段上距離斷口20 mm處,采用MAX 07-F型直讀光譜儀對閥桿化學(xué)成分進(jìn)行分析。閥桿材料化學(xué)成分實(shí)測結(jié)果見表1,材料各元素的含量均滿足ASTM A182標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 閥桿零件斷口化學(xué)成分(wt%)

2.4 斷口微觀形貌分析

采用JEOL JSM-6390A型掃描電子顯微鏡對切割后的閥桿斷口進(jìn)行觀察,如圖4所示。

圖4 斷口形貌SEM圖

對閥桿斷口部位進(jìn)行掃描電子顯微觀測可以發(fā)現(xiàn),斷口屬于解理斷裂特征的層片狀形貌和臺階狀花樣。斷口是材料受應(yīng)力作用沿著晶界表面發(fā)生分離,裂紋擴(kuò)展速度快,塑性變形小[9]。證實(shí)了前面關(guān)于此次斷裂是由于應(yīng)力過大而導(dǎo)致的脆性斷裂的猜測。

2.5 材料的機(jī)械力學(xué)性能測試

根據(jù)《GB/T228—2002金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》對閥桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從閥桿外表面到中心位置沿閥桿軸向取3個試樣進(jìn)行測試[10],測試的結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明該零件的屈服和抗拉強(qiáng)度、硬度、伸長率和斷面收縮率都滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM A276的要求。

表2 閥桿零件的機(jī)械性能測試結(jié)果

3 分析失效原因及改進(jìn)措施

3.1 判斷閥桿失效的原因

首先,對失效的410閥桿外觀進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn),該閥桿斷口處無明顯的塑性變形,初步判斷閥桿可能是因承受的應(yīng)力過大而發(fā)生的過載斷裂。對閥桿進(jìn)行化學(xué)成分分析和性能測試的結(jié)果表明材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。再對閥桿零件進(jìn)行微觀形貌觀測后發(fā)現(xiàn),閥桿斷口處并沒有明顯的缺陷,斷口處呈現(xiàn)層片狀的形貌和臺階花樣,閥桿的斷裂形式為脆性斷裂。通過模擬執(zhí)行器設(shè)置錯誤時(shí)閥桿的應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn),閥桿承受的應(yīng)力已超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力值,且該值非常接近材料的屈服強(qiáng)度。因此,判斷該410閥桿斷裂失效是在執(zhí)行機(jī)構(gòu)錯誤設(shè)置和閥桿退刀槽應(yīng)力集中兩方面的綜合作用下導(dǎo)致的。

此類零部件的失效應(yīng)從對電廠操作人員的培訓(xùn)和改善閥桿零件的結(jié)構(gòu)入手,從結(jié)構(gòu)上減少應(yīng)力集中部位對零件性能的影響,提高閥桿材料的強(qiáng)度和表面硬度。另外,對于電廠的運(yùn)行人員進(jìn)行操作指導(dǎo),根據(jù)每個閥門不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理地設(shè)置和使用,防止因誤操作或不當(dāng)使用造成閥門零部件的損壞[11]。

3.2 改進(jìn)方法

閥桿零件因設(shè)計(jì)尺寸和零件配合的要求,往往需要一些過渡截面、溝槽和圓角等結(jié)構(gòu),但在滿足零件結(jié)構(gòu)尺寸的前提下,可通過改善結(jié)構(gòu)布局來降低上述部位的應(yīng)力集中情況[12]。將閥桿軸退刀槽的形狀由直角過渡改為“U”型過渡,退刀槽形狀修改前后的結(jié)構(gòu),如圖5所示。

(a)原形態(tài) (b)改進(jìn)后形態(tài)圖5 退刀槽形狀修改前后示意圖

另外,閘閥閥桿屬于承載載荷較高的閥門零件,在傳動閘板時(shí)需不停地做往復(fù)運(yùn)動,閥桿在運(yùn)動過程中不可避免地與盤根接觸摩擦,與流體介質(zhì)產(chǎn)生沖刷。常見的做法是通過對閥桿零件進(jìn)行滲氮處理來進(jìn)一步提高閥桿的強(qiáng)度和表面硬度,以提高閥門的使用性能延長使用壽命[13]。

3.3 閥桿表面滲氮處理后的硬度和耐磨性對比

用10 gf的載荷測量滲氮后閥桿試樣的橫截面顯微硬度,在氮化層表面的硬度值可以達(dá)到1 470 HV10gf。在深度5～10 μm處硬度值下降到1 360 HV10gf,該區(qū)域?yàn)榕蛎涶R氏體。在10～16 μm區(qū)域范圍內(nèi),由于膨脹馬氏體相中的氮含量減少,硬度值隨之下降。在深度25 μm以后,硬度逐漸接近回火馬氏體基體的硬度,硬度值約為420 HV10gf。

圖6(a)和(b)分別顯示了未處理的閥桿和氮化處理后的閥桿磨損痕跡。磨損表面的比較顯示了處理前和處理后的閥桿不同的磨損行為,未經(jīng)過處理的閥桿表面受到了比較嚴(yán)重的磨損,且表面可以觀察到磨損的碎片和較為嚴(yán)重的劃痕和粘附物。

圖6(a)中可觀察到比較明顯的磨損溝槽和劃痕,并且磨損軌道內(nèi)有比較明顯的塑性變形,屬于比較典型的犁頭磨損機(jī)制。圖6(b)可觀察到氮化后的閥桿表面產(chǎn)生了一個光滑的氧化層,磨損表面只是顯示出光滑的表面和輕微的磨料磨損[14]。未經(jīng)過氮化處理的試樣的磨痕寬度為0.55 mm,大約為處理后試樣的2倍。氮化試樣的磨損重量損失也較小,約為未氮化處理試樣的3%左右。氮化試樣的摩擦系數(shù)為0.65,而未氮化處理的試樣的摩擦系數(shù)約為0.8。氮化試樣的摩擦系數(shù)非常穩(wěn)定,而未經(jīng)過處理的試樣的摩擦系數(shù)在磨損過程中會逐漸增加。因此,氮化處理可改善410不銹鋼表面的磨損性能[15]。

4 結(jié)論

失效410閥桿的組織成分和性能可滿足使用要求,斷裂是由于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置不合理和應(yīng)力集中導(dǎo)致的,該失效應(yīng)從正確設(shè)置閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)入手,改善閥桿退刀槽處結(jié)構(gòu)避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外,對比410閥桿滲氮前后的硬度和耐磨性可發(fā)現(xiàn):滲氮后的閥桿表面層可獲得硬度和化學(xué)穩(wěn)定性更高的氮化層,滲氮工藝可明顯提高410閥桿的表面硬度和耐磨性,從而增強(qiáng)火電機(jī)組閥門設(shè)備的壽命和使用安全性。