Page 58 - 理化检验-物理分册2025年第一期

闫敬明：火电厂阀杆断裂原因小结

300 MW机组高压主汽阀阀杆断裂的原因，结果表 杂物等缺陷。在阀杆的横断面上，非金属夹杂可以
明材料为C422钢的阀杆由于服役时间较长，在晶界 呈点状、片状、链状或团块状分布，严重的夹杂物容
附近产生较多网状碳化物，造成晶界弱化，材料的抗 易引起材料的开裂或降低其使用性能。张学星等 [9]
拉强度与屈服强度均低于标准值。 对X39CrMo17-1不锈钢阀杆的断裂原因进行分析，
1.1.3 硬化层 发现阀杆心部存在硫化物类非金属夹杂物，级别为
随着电厂载荷的变化，阀杆在使用过程中不间 2.5级，已达标准要求的上限；且材料的冲击性能不
断地上升与下降，与周围部件产生摩擦，阀杆一直处 满足相关标准要求，说明冶炼质量不佳是导致事故
在交变的高压蒸汽冲击应力和高温热应力场中 ， 发生的一个重要原因。
[5]
因此要求材料必须具备较高的耐磨和抗疲劳特性。 1.1.5 热处理工艺
常用的方法是采用渗氮技术提高材料表面硬度，同 热处理是阀杆制造工序的重要环节，热处理工
时保持心部良好的韧性，使阀杆获得较好的使用性 艺的好坏决定着阀杆最终使用的综合性能。周丽琴
能。对于缺口敏感的变径处，渗氮层会增加变径部 等 [10] 研究了电动闸阀杆的断裂原因，发现阀杆热处
[6]
位表层材料的脆性，使微裂纹在该处萌生并扩展 理调质环节的淬火和回火保温时间不足，使冲击韧
（见图1），因此对于缺口敏感的变径部位，在渗氮过 度远低于标准要求，材料脆化。同时，调查发现这
程中应遮盖或者在渗氮后采用机械加工的方式去除 只是个例情况，分析认为可能是个别阀杆因装炉方
表面硬化层 。 式不当而在热处理过程中出现了异常。此外，热处
[7]
理不当可能会造成阀杆锻造过程中产生的带状组织
无法消除，使材料的力学性能产生各向异性，即沿
着带状纵向的强度高、韧性好；横向的强度低、韧性
差。若阀杆在服役期间受到沿带状组织横向的应力
作用，就极易发生断裂事故。
1.1.6 机械加工
机械加工也是阀杆制造工序中必不可少的环
节，如果处理不当可能会造成加工刀痕，使材料产生
图 1 断口附近渗氮层和裂纹微观形貌 原始缺陷，易在加工刀痕应力集中处提前产生裂纹
1.1.4 冶炼工艺 源，增加了服役过程中的风险。江国栋等 [11] 研究了
阀杆一般由非真空冶炼→电渣重熔→压机镦拔 汽轮机阀杆在退刀槽处的断裂原因，结果在断口附
开坯→完全退火→表面磨光→轧制→等温退火→调 近退刀槽外表面发现较大的加工刀痕[见图2（a）]，
质→校直→表面酸洗磨光等工序制造而成 。如果 经放大观察，可见这些加工刀痕已形成许多裂纹，且
[8]
冶炼工艺处理不当，可能会在材料中引入非金属夹 裂纹已向内部扩展[见图2（b）]。

图 2 阀杆退刀槽处的机加工刀痕形貌
1.2 阀杆结构原因 最薄弱的部位。张学星等 对阀杆退刀槽部位的应力
[9]
阀杆断裂位置基本都在退刀槽、螺纹根部等变 状态进行了有限元模拟分析。首先将螺纹部分简化为
径部位（见图3） ，阀杆变径处的结构形式一方面造成 直杆，并且在中间变径区域细化网格[见图4（a）；然
]
应力高度集中，另一方面缩小了承载面积，是阀杆整体 后在底部施加固定约束，在上部施加200 N· m的扭

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