超臨界600MW機組主汽閥閥桿斷裂原因分析
采用宏觀(guān)形貌觀(guān)察、化學(xué)成分分析、顯微組織觀(guān)察與力學(xué)性能試驗等方法,對某超臨界600MW機組主汽閥閥桿斷裂原因進(jìn)行了分析。結果表明,該高溫合金閥桿母材彌散分布富Al、富Si、富Ti和富Mo的強化顆粒,顯微組織異常,且拉伸塑性與沖擊韌性較差,是導致其在絲扣退刀槽處發(fā)生脆性斷裂的主要原因。建議對同批次和同類(lèi)型的主汽閥閥桿采取適當的措施進(jìn)行處理,確保機組安全運行。
1、閥桿斷裂情況
某超臨界600MW機組于2010年10月12日7時(shí)并入系統運行，8時(shí)發(fā)現調節閥全開(kāi)后，機組僅能帶370MW負荷。進(jìn)一步檢查后發(fā)現，左、右側主汽閥體溫差大，右側主汽閥處無(wú)明顯節流聲，判斷其閥芯沒(méi)有開(kāi)啟。2010年10月18日，對右側主汽閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現該閥閥桿與閥桿套筒連接絲扣斷裂。
主汽閥材質(zhì)為GH901鐵基高溫合金，該合金在650℃以下具有較高的屈服強度和持久強度，760℃以下抗氧化性良好，長(cháng)期使用組織穩定，是一種較成熟的合金，廣泛用于制造在650℃以下工作的航空及地面燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的轉動(dòng)盤(pán)形件、靜結構件、渦輪外環(huán)及緊固件等零部件，同時(shí)也用于超臨界發(fā)電機組的主汽閥閥桿。
沿主汽閥閥桿軸向切割規格為12.5mm×5mm×160mm的拉伸試樣和規格為5mm×10mm×50mm的V型缺口沖擊試樣，拉伸試驗在UTM5105型萬(wàn)能材料試驗機上進(jìn)行，拉伸速率為2mm/min;沖擊試驗設備為JBN-300。
2、宏觀(guān)檢測
主汽閥閥桿上部斷口形貌如圖1所示。主汽閥閥桿在其上部絲扣的退刀槽處發(fā)生斷裂，斷口無(wú)明顯的塑性變形，是典型的脆性斷裂，且斷面無(wú)疲勞特征，因此可以排除疲勞斷裂的可能。
圖1 主汽閥閥桿斷口形貌
3、成分分析
GH901合金中的Fe是基體元素，Ni是奧氏體穩定化元素，Cr是抗氧化腐蝕元素，B為微量晶間強化元素，鈦、鋁等為時(shí)效強化元素，其中Al還可抑制合金中主要強化γ"相向脆性η-Ni3Ti相轉化。主汽閥閥桿的合金成分見(jiàn)表1，各化學(xué)元素含量符合《中國航空材料手冊》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“手冊”)要求。
表1 主汽閥閥桿元素含量 at%
4、顯微組織
在主汽閥閥桿斷口位置附近取樣進(jìn)行金相試驗，其組織為奧氏體，但內含異常的混晶組織，不符合DL/T439-2006《火力發(fā)電廠(chǎng)高溫緊固件技術(shù)導則》中關(guān)于奧氏體組織的要求(圖2)。
圖2 主汽閥閥桿金相組織
通過(guò)掃描電鏡背散射像進(jìn)一步觀(guān)察主汽閥閥桿的顯微組織，發(fā)現其基體中分布有大量的黑色和白色的顆粒，尺寸在10μm量級，且形狀不規則(圖3(a))。EDS圖譜表明這些顆粒是富Al、富Si、富Ti和富Mo的強化相，其中富Al顆粒尺寸較大，如圖3(b)中“1”所示。富Si顆粒外形較細長(cháng)，如圖3(b)中“2”所示。富Ti顆粒外形接近圓形，且尺寸較小，如圖3(c)中“3”所示。富Mo顆粒是白色的，外形多為圓形，如圖3(c)中“4”所示。各強化相的合金成分見(jiàn)表2。
表2 高溫閥桿各析出相成分 at%
圖3 主汽閥閥桿背散射相及標記為1～4的顆粒能譜
依據《手冊》標準熱處理狀態(tài)下GH901組織為奧氏體基體上析出球狀的γ'相以及少量的MC和M3B2等相。γ′相彌散分布于晶內，直徑約為14～20mm，約占合金重量的10%～12%，其化學(xué)組成近似為(Ni0.95Fe0.03Cr0.02)3(Ti0.85Al0.15)。MC和M3B2相的總量約占合金重量的0.27%～0.35%。通過(guò)比較發(fā)現，GH901主汽閥閥桿中的各強化相顆粒與標準熱處理狀態(tài)下的強化相不符，說(shuō)明斷裂的高溫閥桿熱處理工藝不到位，微觀(guān)組織異常。
5、力學(xué)性能
主汽閥閥桿橫截面的布氏硬度值為360HB，滿(mǎn)足《手冊》對GH901合金硬度的要求(302～388HB)。
主汽閥閥桿的室溫拉伸數據見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，主汽閥閥桿的抗拉強度符合《手冊》要求，但表征材料塑性的延伸率和斷面收縮率均低于《手冊》要求，這說(shuō)明主汽閥閥桿母材的塑性較差。
表3 主汽閥閥桿室溫拉伸力學(xué)性能
主汽閥閥桿試樣的平均沖擊功為41.5J，沖擊韌性為518kJ/m2，低于《手冊》要求的600～700kJ/m2，說(shuō)明主汽閥閥桿母材的沖擊韌性較差。
圖4(a)是沖擊試樣斷口的形貌，宏觀(guān)斷口比較平坦，呈鐵灰色，無(wú)明顯的纖維區和放射區。微觀(guān)斷口顯示斷面為典型冰糖結晶狀，屬于脆性沿晶斷裂模式。斷面上分布有不少的沿晶二次裂紋(圖4(b～c))。同時(shí)，沿斷口晶界上存在不少的顆粒和其剝離遺留下來(lái)的孔洞(圖4(d))。
圖4 沖擊試樣斷口的二次電子相形貌
圖5(a)是圖4(d)的背散射圖，通過(guò)EDS探測這些顆粒是富Mo、富Ti和富Al的強化相(圖5(b～c))，這些強化相顆粒分布在斷口的晶界位置，會(huì )進(jìn)一步惡化基體的韌塑性。
圖5 沖擊試樣斷口強化顆粒分布形貌及標記為“1～3”的顆粒能譜
