超临界600MW机组主汽阀阀杆断裂原因分析_谢亿
超临界６００ＭＷ机组主汽阀
阀杆断裂原因分析
谢 亿１，郭建亭２，陈红冬１，牟申周１
１．湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙４１０００７
２．中国科学院金属研究所，辽宁沈阳 １１００１６
［摘 要］ 采用宏观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察与力学性能试验等方法，对某超临界６００ＭＷ机组主汽阀阀杆断裂原因进行了分析。结果表明，该高温合金阀杆母材弥散
分布富Ａｌ、富Ｓｉ、富Ｔｉ和富Ｍｏ的强化颗粒，显微组织异常，且拉伸塑性与冲击韧性较
差，是导致其在丝扣退刀槽处发生脆性断裂的主要原因。建议对同批次和同类型的主
汽阀阀杆采取适当的措施进行处理，确保机组安全运行。
［关 键 词］ 主汽阀；阀杆；ＧＨ９０１合金；显微组织；韧塑性；脆性断裂
［中图分类号］ ＴＧ１１５
［文献标识码］ Ｂ
［文章编号］ １００２－３３６４（２０１２）０６－００６９－０５
［ＤＯＩ编号］ １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３３６４．２０１２．０６．０６９
ＣＵＡＳＥ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＶＡＬＶＥ ＳＴＥＭ ＲＵＰＴＵＲＥ ＯＮ ＭＡＩＮ ＳＴＥＡＭ
ＶＡＬＶＥ ＯＦ ＳＵＰＥＲＣＲＩＴＩＣＡＬ ６００ＭＷ ＵＮＩＴ
ＸＩＥ Ｙｉ １，ＧＵＯ Ｊｉａｎｔｉｎｇ２，ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇｄｏｎｇ１，ＭＯＵ Ｓｈｅｎｚｈｏｕ１
１．Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００７，Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ＰＲＣ
２．Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｕｎｄｅｒ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ
ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ＰＲＣ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｃｒｏ－ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｖａｌｖｅ ｓｔｅｍ ｒｕｐｔｕｒｅ ｏｆ ｍａｉｎｓｔｅａｍ ｖａｌｖｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｏｎｅ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ６００ＭＷ ｕｎｉｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｏｍｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ Ａｌ－ｒｉｃｈ，Ｓｉ－ｒｉｃｈ，Ｔｉ－ｒｉｃｈ，ａｎｄ Ｍｏ－ｒｉｃｈ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｈａｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅｂａｓｅ－ｍｅｔａｌ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｓｔｅｍ，ｉｔｓ ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｉｎｇ ａｂｎｏｒｍａｌ，ｂｏａｓｔｉｎｇ ｐｏｏｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ａｎｄｂａｄ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｂｒｉｔｔｌｅ ｒｕｐｔｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｋｎｉｆｅ－ｗｉｔｈｄｒａｗｉｎｇ ｓｌｏｔ ｏｆ ｓｃｒｅｗｔｈｒｅａｄｓ．Ｉｔ ｉｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｆｏｒ ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ ｖａｌｖｅ ｓｔｅｍｓ ｏｆ ｓａｍｅｂａｔｃｈ ａｎｄ ｓｉｍｉｌａｒ ｍｏｄｅｓ，ｓｏ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｉｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｉｎ ｓｔｅａｍ ｖａｌｖｅ；ｖａｌｖｅ ｓｔｅｍ；ＧＨ９０１ａｌｌｏｙ；ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ；ｂｒｉｔｔｌｅ ｒｕｐｔｕｒｅ
Ｅ－ｍａｉｌ： ｙｘｉｅ００１＠１２６．ｃｏｍ
１ 阀杆断裂情况
某超临界６００ＭＷ机组于２０１０年１０月１２日７时并入系统运行，８时发现调节阀全开后，机组仅能带３７０ＭＷ负荷。进一步检查后发现，左、右侧主汽阀体温差大，右侧主汽阀处无明显节流声，判断其阀芯没有开启。２０１０年１０月１８日，对右侧主汽阀进行解体检查，发现该阀阀杆与阀杆套筒连接丝扣断裂。
主汽阀材质为ＧＨ９０１铁基高温合金［１］
，
该合金在６５０℃以下具有较高的屈服强度和持久强度，７６０℃以
下抗氧化性良好，长期使用组织稳定，是一种较成熟的合金，广泛用于制造在６５０℃以下工作的航空及地面燃气涡轮发动机的转动盘形件、
静结构件、涡轮外环及紧固件等零部件［２］
，同时也用于超临界发电机组的主
汽阀阀杆。
沿主汽阀阀杆轴向切割规格为１２．５ｍｍ×５ｍｍ×１６０ｍｍ的拉伸试样和规格为５ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍ
的Ｖ型缺口冲击试样，拉伸试验在ＵＴＭ５１０５型万能材料试验机上进行，拉伸速率为２ｍｍ／ｍｉｎ；冲击试验设备为ＪＢＮ－
３００。２ 宏观检测
主汽阀阀杆上部断口形貌如图１所示。主汽阀阀杆在其上部丝扣的退刀槽处发生断裂，断口无明显的塑性变形，
是典型的脆性断裂，且断面无疲劳特征，因此可以排除疲劳断裂的可能
。
（
ａ）断口位置 （ｂ）上部断口 （ｃ）下部断口图１ 主汽阀阀杆断口形貌
３ 成分分析
ＧＨ９０１合金中的Ｆｅ是基体元素，Ｎｉ是奥氏体稳
定化元素，Ｃｒ是抗氧化腐蚀元素，Ｂ为微量晶间强化
元素，钛、铝等为时效强化元素，其中Ａｌ还可抑制合金中主要强化γ＂相向脆性η－Ｎｉ３Ｔ
ｉ相转化。主汽阀阀杆的合金成分见表１，
各化学元素含量符合《中国航空材料手册》（以下简称“手册”）要求［
２］
。表１ 主汽阀阀杆元素含量
ａｔ％元素Ｃ Ｃｒ
Ｎｉ
Ｍｏ Ｔｉ Ａｌ Ｆｅ手册
试样０．０２～０．０６０．００３
１１．００～１４．００１３．２０４０．００～４５．００
４２．４１
５．００～６．５０
５．７２
２．８０～３．１０
３．０４
≤０．
３００．１７Ｂａｌ．
Ｂａｌ．
元素Ｂ
Ｓ Ｐ Ｃｕ Ｓｉ Ｍｎ手册试样
０．０１０～０．０２００．０１４
≤０．００８０．００５
≤０．
０２００．０１７
≤０．２０００．１０９
≤０．４０００．２１０
≤０．５０００．４０４
４ 显微组织
在主汽阀阀杆断口位置附近取样进行金相试验，
其组织为奥氏体，但内含异常的混晶组织，不符合ＤＬ／Ｔ
４３９—２００６《火力发电厂高温紧固件技术导则》中关于奥氏体组织的要求［３］
（图２
）。
图２ 主汽阀阀杆金相组织
通过扫描电镜背散射像进一步观察主汽阀阀杆的显微组织，发现其基体中分布有大量的黑色和白色的颗粒，尺寸在１０μｍ量级，且形状不规则（图３（ａ））。ＥＤＳ图谱表明这些颗粒是富Ａｌ、富Ｓｉ、富Ｔｉ和富Ｍｏ的强化相，其中富Ａｌ颗粒尺寸较大，如图３（ｂ）中“１”所示。富Ｓｉ颗粒外形较细长，如图３（ｂ）中“２”所示。富Ｔｉ颗粒外形接近圆形，且尺寸较小，如图３（ｃ）中“３”所示。富Ｍｏ颗粒是白色的，外形多为圆形，如图３（ｃ）中“４”所示。各强化相的合金成分见表２。
表２ 高温阀杆各析出相成分ａｔ％析出相Ａｌ Ｓｉ Ｍｏ Ｔｉ Ｃｒ Ｆｅ Ｎｉ
富Ａｌ ６７．８２ １．２７ ５．４７ １２．９０ １２．５４富Ｓｉ ３１．７９ １．４７ ２．７７ １０．５２ ２６．２６ ２７．１９富Ｔｉ ４．８６ ３１．６０ １０．５９ ２４．１３ ２８．８２富Ｍｏ ３８．２４ １０．９６ ２１．３３ １８．０２ １１．４
５ （ａ）１００× （ｂ）５００× （ｃ）２ ０００
×
图３ 主汽阀阀杆背散射相及标记为１～４的颗粒能谱
依据《
手册》标准热处理状态下ＧＨ９０１组织为奥氏体基体上析出球状的γ＇相以及少量的ＭＣ和Ｍ３Ｂ２等相。γ′相弥散分布于晶内，直径约为１４～２０ｍｍ，约占合金重量的１０％～１２％，其化学组成近似为（Ｎｉ０．９５
Ｆｅ０．０３Ｃｒ０．０２）３（Ｔｉ０．８５Ａｌ０．１５）。ＭＣ和Ｍ３Ｂ２相的总量约占合金重量的０．２７％～０．３５％
［２］
。通过比较发现，
ＧＨ９０１主汽阀阀杆中的各强化相颗粒与标准热处理
状态下的强化相不符，说明断裂的高温阀杆热处理工艺不到位，微观组织异常。
５ 力学性能
主汽阀阀杆横截面的布氏硬度值为３６０ＨＢ，满足《手册》对ＧＨ９０１合金硬度的要求（３０２～３８８ＨＢ）。主汽阀阀杆的室温拉伸数据见表３。由表３可
见，
主汽阀阀杆的抗拉强度符合《手册》要求，但表征材料塑性的延伸率和断面收缩率均低于《手册》要求，这说明主汽阀阀杆母材的塑性较差。
表３ 主汽阀阀杆室温拉伸力学性能
编号截面尺寸
／ｍｍ×ｍｍ
抗拉强度
／ＭＰａ
断裂总伸长率
Ａ／％断面收缩率
Ｚ
／％１ １２．５２×５．１１ １ ２０４断在标距外９．５２ １２．５０×５．０３ １ ２４０ １６．８ １４３ １２．５０×５．０４ １ ２４１
１８．４ １５．５手册标准
≥１
１９６≥２
０≥２
５主汽阀阀杆试样的平均冲击功为４１．５Ｊ
，冲击韧性为５１８ｋＪ／ｍ２，低于《手册》要求的６００～７００ｋＪ／ｍ
２
，说明主汽阀阀杆母材的冲击韧性较差。
图４
（ａ）是冲击试样断口的形貌，宏观断口比较平坦，呈铁灰色，无明显的纤维区和放射区。微观断口显示断面为典型冰糖结晶状，属于脆性沿晶断裂模式。断面上分布有不少的沿晶二次裂纹（图４（ｂ～ｃ））。同时，
沿断口晶界上存在不少的颗粒和其剥离遗留下来的孔洞（图４（ｄ
））
。 （ａ）５０× （
ｂ）２００
× （ｃ）５００× （ｄ）１
０００×图４ 冲击试样断口的二次电子相形貌
图５（
ａ）是图４（ｄ）的背散射图，通过ＥＤＳ探测这些颗粒是富Ｍｏ、富Ｔｉ和富Ａｌ的强化相（图５（ｂ～
ｃ）），这些强化相颗粒分布在断口的晶界位置，会进一步恶化基体的韧塑性。
（ａ）５０× （
ｂ
） （ｃ） （
ｄ）图５ 冲击试样断口强化颗粒分布形貌及标记为“１～３
”的颗粒能谱［参 考 文 献］
［１］ 郭建亭．
高温合金材料学———应用基础理论［Ｍ］．北京：科学出版社，２００８：１８．
［２］ 中国航空材料编写组．
中国航空材料手册．第２卷：变形高温合金［Ｍ］．北京：中国标准出版社，１９８９：３７－３９．［３］ ＤＬ／Ｔ
４３９—２００６，火力发电厂高温紧固件技术导则［Ｓ］檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼
．（上接第６８页） （
３）常见的汽水管道振动有共振型振动、受迫振动及混合型振动。共振型振动频谱图较为简洁，主振动的频率谱线突出，
其它频率成分的谱线很弱；受迫振动通常无突出的主振动频率，当其全频率下的振动强度较高，即使管道剧烈振动，几个主要频率的振动速度并不高。
（４）
共振型管道的主振动比例较高（通常大于７０％）
，近似简谐振动，结合管道振型分析可获得良好的减振效果；当受迫振动的主要振动成分在低频区时
（６Ｈｚ以内）
，振动治理可大幅降低振动。汽液两相流管道的振动治理可参考该振动分析与治理方法。
［参 考 文 献］
［１］ 康豫军，
安付立，卫大为，等．电站管道振动分析与治理［Ｊ］．热力发电，２０１１，４０（６）：９３－
９７．［２］ ＤＬ／Ｔ
２９２—２０１１，《火力发电厂汽水管道振动控制导则》［Ｓ］．