某電廠5號機組設計為620MW超臨界空冷機組，三大主機均為東方集團配套生產供貨，配置2臺50%汽動給水泵。該機組2006年6月28日開始建設，2008年6月1日投入商業運行。汽輪機為東方汽輪機廠生產，型號為NZK600-24.2/566/566，為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，采用高中壓缸合缸結構，2個低壓缸均為雙流反向布置。2012年12月機組進行A級檢修時發現一側中壓調節閥杠桿銷釘斷裂。

    1 缺陷情況

    中壓調節閥安裝在汽輪機的每個中壓進汽管道上，起動期間，這些閥門也具有調節蒸汽去中壓和低壓汽輪機的控制能力。中壓調節閥出口通過中壓導汽管與汽缸進汽室連接。主閥碟通過閥桿和連接件與油動機的活塞連接。油動機活塞向下移動關閉閥門，向上移動打開閥門。閥門通過連桿施加向下的關閉力，中壓調節閥杠桿銷釘斷裂部位見圖1。

圖1 中壓調節閥杠桿銷釘斷裂部位

    中壓調節閥杠桿銷釘所用材料為20Cr1Mo1VNb-TiB，該材料屬于貝氏體耐熱鋼，具有優良綜合性能，一般用于工作溫度小570℃的火力發電廠的高溫螺栓。該鋼對熱處理比較敏感，如熱加工控制不當，螺栓材料易出現肉眼可見的晶粒（粗晶）。

    2 實驗研究

    中壓調節閥工作時杠桿銷釘主要承受擠壓力及剪力，銷釘外表面未見損壞。可見銷釘斷裂不是由于擠壓力引起的破壞，銷釘所受剪力方向垂直于銷釘的軸線方向，與最大剪應力夾角45°方向是最大主應力方向。銷釘的斷裂方向與剪力方向基本呈45°方向，銷釘斷裂面基本上垂直于最大主應力方向，所以銷釘的斷裂是由剪力引起的破壞。

    為查找中壓調節閥杠桿銷釘斷裂原因，對斷裂銷釘進行宏觀形貌分析，并依據圖2進行取樣分析，取樣包括化學成分、金相、斷面硬度及沖擊試驗，試驗結果參照DL/T439-2006。

圖2 中壓調節閥杠桿銷釘取樣示意圖

    2.1 宏觀形貌分析

    宏觀觀察銷釘的形貌可知，斷口起裂處為直徑為102mm和80mm的交界的臺階根部，屬于應力集中部位，斷口沒有明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂。斷口已經磨損，沒有看到明顯的疲勞紋。斷口可見裂紋擴展區及最后瞬斷區，最后瞬斷區面積較小，銷釘剪應力較小，安全系數較大。斷裂銷釘宏觀形貌及宏觀斷口見圖3。

圖3 銷釘宏觀形貌

    2.2 化學成分

    化學成分測試采用ARL-3460直讀光譜儀進行測試，成分檢驗結果及標準要求見表1。可見，化學成分滿足標準對20Cr1Mo1VnbTiB的要求，可排除材質錯用的問題。

表1 標準要求與實際成分測量（質量分數，%）

    2.3 金相分析

    金相試樣經過粗磨、細磨、機械拋光后應用4%的硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUSGX71金相顯微鏡下進行觀察，同時依據DL/T439-2006對其進行粗晶評級。金相組織見圖3。可看出，組織為回火貝氏體，晶粒粗大，可見黑色網狀奧氏體晶界，晶界上可見少量碳化物析出，依據DL/T439-2006對其進行晶粒級別檢驗，結果為宏觀粗晶，級別為2級，晶粒平均直徑大于0.5mm，不同位向的晶粒之間有較大的反差。

圖4 試樣金相組織

    DL/T439-2006規定晶粒級別為1，2級的20Cr1Mo1VNbTiB螺栓應報廢，中壓調節閥杠桿銷釘采用20Cr1Mo1VnbTiB材料，金相組織不合格。

    2.4 硬度分析

    對中壓調節閥杠桿斷裂銷釘的橫截面從外到心部等間距4處通過HBU-750布氏硬度計進行布氏硬度檢驗，檢驗結果分別為400、398、396、395HBW平均值為397HBW，DL/T439-2006對20Cr1Mo1V-NbTiB螺栓的硬度要求為252～302HBW中壓調節閥杠桿銷釘參照執行，遠大于標準要求。硬度高說明銷釘的強度高，塑性及韌性較低。

    2.5 沖擊試驗

    在銷釘外表面下5mm，沿銷釘周向均勻取6個沖擊試樣，試驗結果表明，U形缺口沖擊功平均值僅為2.2J。DL/T439-2006對20Cr1Mo1VNbTiB螺栓的U形缺口沖擊功等于或大于M52的螺栓，Ak>47J。U形缺口沖擊功平均值遠低于標準要求，U形缺口沖擊功低，說明銷釘的韌性低，易引起銷釘的脆性斷裂。

    根據宏觀形貌分析及試驗結果，可知，中壓調節閥杠桿銷釘采用了20Cr1Mo1VnbTiB材料，由于熱處理工藝執行不當導致金相組織、硬度和沖擊功不滿足標準要求，使得銷釘的沖擊韌性降低。銷釘的結構在承受剪應力的部位存在軸的變徑臺階，臺階根部在工作剪力下存在較大應力集中，在應力集中的作用下，最終導致斷裂。

    3 結論及建議

    （1）該杠桿銷釘化學成分合格，金相組織粗大，可見黑色網狀奧氏體晶界，粗晶2級，硬度高，沖擊韌性低，金相組織、硬度、沖擊功均不滿足標準要求。

    （2）銷釘由于結構原因，存在較大的應力集中，同時銷釘的韌性極低，是銷釘開裂的主要原因。

    （3）建議對中壓調節閥杠桿銷釘進行金相及硬度檢驗，對不合格銷釘要及時進行更換。