王宏偉

（山西京能呂臨發(fā)電有限公司，山西呂梁 033299）

0 引言

鍋爐動力驅(qū)動泄放閥是一種全部由外部動力源（電動、氣動或液動）控制其開啟或關(guān)閉動作的閥門，一般稱之為PCV（positive crankcase ventilation）閥。電動氣動泄放閥EPRV（electro pneumatic relief valve）是大型電站鍋爐動力驅(qū)動泄放閥的一個類型，其作用為：在鍋爐系統(tǒng)開始超壓，達(dá)到動力泄放閥設(shè)定開啟壓力時，動力泄放閥打開，向外排放蒸汽降低系統(tǒng)壓力，為鍋爐提供超壓保護；動力泄放閥打開后，避免在鍋爐超壓時，壓力繼續(xù)升高而導(dǎo)致安全閥起跳，延長安全閥使用壽命。EPRV 閥是國內(nèi)已應(yīng)用的繼先導(dǎo)式、球閥式動力泄放閥后的第三代鍋爐動力驅(qū)動泄放閥，其主要由一個彈簧式安全閥、雙作用氣缸組成，控制系統(tǒng)由閥組、就地控制箱、壓力開關(guān)盒、遠(yuǎn)程控制面板等組成。EPRV 閥具有結(jié)構(gòu)簡單、密封性好，失電、失氣后仍可以全啟排放，保障系統(tǒng)對排放量的要求，維修簡單、備件少，經(jīng)濟性、可靠性高等一系列的優(yōu)點，目前在大型機組中的應(yīng)用比例逐漸提高，分析探討此次EPRV 閥門閥體螺柱斷裂的原因，對同類型機組閥門的安全運行具有較明顯的參考價值。

1 事故情況介紹

某電廠1 號鍋爐EPRV 閥門是由東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司配供的，是德國Sempell公司生產(chǎn)的SEP 系列泄放閥。一般來說，SEP 系列泄放閥是一種配備了A160 氣動執(zhí)行機構(gòu)的彈簧加載型閥門。A160 氣動執(zhí)行機構(gòu)控制泄放閥在某個特定的壓力下打開（即動作壓力）。彈簧的設(shè)定點比動作壓力高5%～10%，以保證在控制單元故障時泄放閥不會打開。泄放閥只能借助于A160 氣動執(zhí)行機構(gòu)才能打開。A160 氣動執(zhí)行機構(gòu)由STE8 控制器控制。

1 號機組于2019 年7 月20 日點火開始整套啟動，7 月27 日并網(wǎng)成功，進行機組涉網(wǎng)試驗。9 月20 日，1 號機組啟動，06：27：00 進行EPRV 閥開啟試驗，參數(shù)為：高溫過熱器出口左側(cè)汽壓7.027 MPa，右側(cè)汽壓7.049 MPa。06：29：00 關(guān)閉EPRV 閥時的參數(shù)為：高溫過熱器出口左側(cè)汽壓6.38 MPa，右側(cè)汽壓6.401 MPa。但關(guān)閉時發(fā)現(xiàn)右側(cè)EPRV 閥不回座，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)EPRV 閥上閥體傾斜，閥體連接螺柱斷裂，造成EPRV 閥桿無法回座。截止到本次EPRV 閥連接螺柱斷裂發(fā)生，1 號鍋爐處于整套啟動試運行階段，已累計運行約2 個月，期間兩側(cè)EPRV 閥曾因多種原因發(fā)生數(shù)次起跳。

經(jīng)廠家技術(shù)人員當(dāng)天現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐兩側(cè)EPRV 閥均有不同程度的損傷，左側(cè)閥體斷裂連接螺柱4 條，右側(cè)閥體斷裂連接螺柱9 條，密封面有磨損痕跡，閥座固定用內(nèi)六角螺釘缺失1 條。

2 試驗情況與結(jié)果

2.1 送檢螺柱介紹

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)螺柱斷裂的情況后，對斷裂的EPRV閥閥體螺柱進行取樣送檢，進行送檢分析的EPRV閥螺柱共計4 條，其規(guī)格為M20×250 mm，材質(zhì)為SA193-B16。

2.2 宏觀形貌觀察與分析

對斷裂的1 號鍋爐EPRV 閥螺柱進行宏觀形貌分析，檢查其是否存在原始缺陷、機械損傷、嚴(yán)重氧化、腐蝕等痕跡，螺柱有無明顯塑性變形等特征，并結(jié)合其他試驗手段進行進一步分析。

4 條EPRV 閥螺柱均斷裂于自鋼性桿向螺紋部位過渡的第1～2 扣螺紋的牙底部，斷口及其附近螺柱表面存在一定程度的銹蝕和高溫氧化情況，各螺柱斷裂部位均未見明顯塑性變形；各螺柱斷口宏觀形貌基本一致，斷口上可以觀察到較為清晰的“貝紋線”形貌，呈現(xiàn)較為典型的拉—壓型疲勞斷裂特征，斷口上起裂區(qū)、裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)等特征區(qū)域明顯。根據(jù)“貝紋線”擴展形貌，基本可以推斷出各斷口的起裂源均位于邊緣的螺紋牙底部位，各螺柱起裂源區(qū)宏觀觀察未見明顯的異常特征。

2.3 斷口微區(qū)觀察與分析

利用掃描電子顯微鏡對EPRV 閥螺柱斷口進行微觀形貌分析，斷口的裂源區(qū)較為平坦，未見沿晶斷裂、夾雜物及嚴(yán)重機械損傷等明顯異常；擴展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞條帶；瞬斷區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征。

2.4 化學(xué)成分檢測與分析

按照《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法》GB/T 4336—2016要求，利用SPECTROMAXx 型臺式直讀光譜儀對斷裂的EPRV 閥螺柱進行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果（如表1 所示）顯示，EPRV 閥螺柱的各元素含量均符合ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)對SA193-B16 材料的技術(shù)要求。

表1 EPRV 閥螺柱SA193-B16 材料化學(xué)成分檢測結(jié)果單位：%

2.5 顯微組織檢測與分析

按照《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》DL/T 884—2019 要求，利用Axio Observer.Alm 型金相顯微鏡對斷裂的EPRV 閥螺柱進行顯微組織檢測。結(jié)果顯示，螺柱斷口起裂于螺紋牙底部，起裂區(qū)未見淬火裂紋、鍛造缺陷、沿晶斷裂及夾雜物等異常組織或缺陷；螺柱的表層螺紋處的組織及中間部位的組織均為回火索氏體+少量鐵素體，整體淬透性較差。此外，螺柱組織整體沿軸向的帶狀偏析嚴(yán)重，螺紋部位未見明顯的脫碳層缺陷。

2.6 力學(xué)性能檢測與分析

按照《金屬材料布氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》GB/T 231.1—2009 的標(biāo)準(zhǔn)要求，利用THBC-3000DA 型圖像處理式布氏硬度計對EPRV 閥螺柱進行硬度測試，以確定螺柱的硬度是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；按照《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》GB/T 228.1—2010 的標(biāo)準(zhǔn)要求，利用CMT5305型電子萬能試驗機對斷裂的EPRV 閥螺柱進行拉伸試驗，以確定其各項常溫拉伸性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；按照《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》GB/T 229—2007 的標(biāo)準(zhǔn)要求，利用ZBC-300B 型數(shù)字沖擊試驗機對EPRV 閥螺柱取樣進行沖擊試驗，確定其韌性是否良好。力學(xué)性能的各項內(nèi)容檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 EPRV 閥螺柱的常溫力學(xué)性能測試結(jié)果（20 ℃）

由表2 可以看出，EPRV 閥螺柱的屈服強度、抗力強度、斷后伸長率及硬度均符合ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)的要求；韌性標(biāo)準(zhǔn)中未做要求，但其實測沖擊吸收功為132 J，說明螺柱材料的韌性是優(yōu)良的。

3 結(jié)果與分析

從斷口形貌分析，EPRV 閥螺柱均斷裂于自鋼性桿向螺紋部位過渡的第1～2 扣螺紋的牙底部，斷口呈現(xiàn)較為典型的拉—壓型疲勞斷裂特征，起裂源位于邊緣的螺紋牙底部位，各螺柱起裂源區(qū)宏觀觀察未見明顯的異常特征[1]。

從化學(xué)成分分析，EPRV 閥螺柱的化學(xué)成分均符合ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)的要求，排除錯用材質(zhì)的情況。

從金相組織分析，EPRV 閥螺柱組織均為回火索氏體+少量鐵素體，整體淬透性較差，沿軸向的帶狀偏析嚴(yán)重，螺紋部位未見明顯的脫碳層缺陷。

從力學(xué)性能分析，EPRV 閥螺柱常溫的強度、塑性、硬度及韌性均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且強韌性搭配良好。

從受力工況分析，EPRV 閥螺柱在運行過程中隨著EPRV 閥的開閉動作，主要承受靜態(tài)拉—壓載荷和動態(tài)的瞬間沖擊載荷。

從材料選用角度分析，ASTM A193/A193M 標(biāo)準(zhǔn)中未給出SA193-B16 材料的推薦使用溫度。國內(nèi)的《火力發(fā)電廠金屬材料手冊》中給出的與SA193-B16 材料成分相近的45Cr1MoV 鋼的推薦使用溫度為450 ℃以下，45Cr1MoV 鋼的C、Cr 和Mo 元素的含量均略高于SA193-B16 材料，說明SA193-B16 材料的熱強性略低于45Cr1MoV 鋼。因此，可以推斷SA193-B16 材料的使用溫度也不應(yīng)高于450 ℃，而實際鍋爐高溫過熱器出口蒸汽的溫度為571 ℃，遠(yuǎn)高于該材料的允許使用溫度[2]，在超過其允許使用溫度的環(huán)境下長期使用必將造成螺柱的強度低于設(shè)計的高溫強度要求，進而會嚴(yán)重降低螺柱材料的疲勞極限，使螺柱的疲勞抗力嚴(yán)重不足。在EPRV 閥體頻繁開閉形成的交變沖擊載荷作用下，必然會在應(yīng)力集中的螺紋牙底形成的缺口效應(yīng)區(qū)產(chǎn)生疲勞開裂，進而引發(fā)螺柱的斷裂失效。

綜合考慮1 號鍋爐自7 月20 日開始整套啟動以來，調(diào)試期間EPRV 閥啟動次數(shù)較多，至9 月20日為止，鍋爐左右兩側(cè)過熱蒸汽EPRV 閥各起跳49 次之多，起跳壓力從1～25 MPa 不等，由于EPRV閥門為截止閥，在起跳過程中閥體上部會受到過熱蒸汽的沖擊和壓力，這些壓力全部由閥體螺柱來承擔(dān)，造成螺柱頻繁受到交替軸向拉力；在過熱蒸汽溫度高達(dá)560 ℃的情況下，螺柱的使用工況十分惡劣，同時由于EPRV 閥排氣管道為水平排出，在排氣時閥體會受到蒸汽水平方向的反向作用力，螺柱受到徑向剪切力，在較多次的拉力和剪切力作用下，加快了螺柱的斷裂。

考慮到EPRV 閥為鍋爐動力驅(qū)動泄放閥，在鍋爐系統(tǒng)超壓時才需要打開向外排放蒸汽，降低系統(tǒng)壓力，為鍋爐提供超壓保護，并不能作為鍋爐正常泄壓的途徑。所以，除異常及事故工況除外，正常參數(shù)調(diào)整中嚴(yán)禁使用EPRV 閥泄壓，像1 號機組EPRV 閥這樣在調(diào)試期間頻繁起跳，對閥體及相關(guān)部件的影響較大[3]。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

綜合以上分析，1 號鍋爐過熱器出口EPRV 閥螺柱斷裂的主要原因為：EPRV 閥閥體連接螺柱選材等級偏低，所用的SA193-B16 材質(zhì)螺柱不能滿足設(shè)計溫度下的強度極限及疲勞極限的要求，在鍋爐運行過程中EPRV 閥開閉，在形成的交變拉—壓沖擊載荷作用下，在應(yīng)力集中的螺紋牙底部形成的疲勞開裂并擴展導(dǎo)致螺柱斷裂失效。

4.2 相關(guān)建議

a）應(yīng)對EPRV 閥所使用螺柱的高溫強度進行重新校核計算，將相同使用環(huán)境下的SA193-B16螺柱全部更換為更高等級的適用于設(shè)計溫度下高溫強度使用要求的螺柱。

b）應(yīng)優(yōu)化運行方式，減少螺柱使用中的不利因素，避免EPRV 閥的頻繁啟停，以免再次發(fā)生類似斷裂失效事故。

c）建議每次停機或者檢修時，盡量安排金屬專業(yè)人員對EPRV 閥螺柱進行檢查或測試，必要時還應(yīng)進行無損探傷，及時發(fā)現(xiàn)螺柱的隱形缺陷，避免隱患進一步擴大。

d）安全無小事，只有認(rèn)真對待每次停機后的檢修工作，才能保障閥體螺柱的正常壽命，使鍋爐始終處于正常運行狀態(tài)。