火电厂在役机组WC9铸钢安全阀质量评估与性能分析

2019-10-11李戈朱海宝乔立捷陈卓婷

综合智慧能源 2019年9期

关键词：铸态阀体安全阀

李戈，朱海宝，乔立捷，陈卓婷

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

在某电厂的一次特种设备检验中，发现该电厂1台机组的主蒸汽安全阀存在金相组织异常，机组已运行近3万h，影响机组的安全运行可靠性。

对于在役机组来说，在非破坏性试验的前提下，现场的检测手段较为有限，质量评估有一定的难度。下面将结合国内外标准，参考相关文献，通过现场硬度、金相等检验、检测手段逐步展开讨论与分析，最终形成较为可靠的结论与建议。

1 基本情况

1.1 安全阀基本信息

该火电厂主蒸汽管道共有2个安全阀，分别为高温过热器出口(以下简称高过出)1阀、高过出2阀，其中高过出1阀为手动阀，位于介质流向前侧，高过出2阀为电动阀，位于介质流向后侧，2个安全阀的材质均为WC9，规格均为DN350，工质参数相同，现场照片如图1所示。

1.2 安全阀标准要求

国内标准JB/T 5263—2005 《电站阀门铸钢件技术条件》(以下简称JB/T 5263—2005)中关于WC9材质铸钢件的标准要求涉及化学成分、力学性能(抗拉强度、屈服强度、屈服率、延伸率)及热处理制度，并未对硬度、金相组织进行明确要求[1]，非等效采用ASTM A217/A217M—2014 《高温承压件马氏体不锈钢和合金钢铸件标准规范》(以下简称ASTM A217/A217M—2014)，同时ASTM A217/A217M—2014中补充要求中提出硬度试验、金相组织检验等其他规定试验可以由制造商和用户在订单中双方协定[2]，经查询，未见该电厂与供货厂家相关技术协议。

2 现场检测结果

2.1 现场检测的可行性与要求

由于现场检测技术手段的局限性，无法对安全阀进行破坏性试验，根据以往锅炉定检情况，结合此次检修主要对这2个阀体进行了外观、表面探伤、硬度及金相组织的检验，其中表面质量应符合JB/T 7927—1999 《阀门铸钢件外观质量要求》(以下简称JB/T 7927—1999)标准要求，磁粉探伤应符合JB/T 6439—2008 《阀门受压件磁粉检测》(以下简称JB/T 6439—2008)标准要求。

陆文斌、陈润福等在文献[3]中提到：利用金相分析方法，从显微组织可以推测热处理工艺状态、热处理质量，进而发现铸钢件可能存在的铸造缺陷或不足，从而找到部件失效的原因，在实际生产中，运用力学性能检测和金相分析法，可起到控制阀门铸钢件质量的目的。

标准JB/T 5263—2005或ASTM A217/A217M—2014中牌号WC9和JB/T 10087—2001 《汽轮机承压铸钢件技术条件》(以下简称JB/T 10087—2001)中牌号ZG15Cr2Mo1的化学成分和力学性能指标基本一致，且DL/T 715—2015 《火力发电厂金属材料选用导则》(以下简称DL/T 715—2015)中规定牌号ZG15Cr2Mo1与WC9为相近牌号[4]，故WC9材质的硬度试验可以参考DL/T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》(以下简称DL/T 438—2016)中ZG15Cr2Mo1的硬度范围(140～220 HBW)要求进行检验[5]，金相组织的球化评定可以参考标准DL/T 999—2006 《电站用2.25Cr-1Mo钢球化评级标准》(以下简称DL/T 999—2006)进行组织评定[6]。

2.2 表面质量检验结果

对上述2个阀体外表面进行外观检查，未发现裂纹、气孔、毛刺、夹砂及尖锐划痕等超标缺陷，表面质量符合JB/T 7927—1999标准要求。对阀体外表面进行磁粉探伤，未发现相关磁痕显示，符合JB/T 6439—2008标准要求。

2.3 理化检验结果

对上述2个阀体进行现场硬度、金相组织检验，现场硬度、组织检验部位如图2所示，硬度检验结果见表1。

检测部位硬度(HBW)备注1(高过出1阀肩部)1702(高过出1阀肩部)1793(高过出1阀腹部)1494(高过出1阀腹部)1445(高过出2阀肩部)1406(高过出2阀肩部)1297(高过出2阀腹部)1258(高过出2阀腹部)146参照标准DL/T438—2016中ZG15Cr2Mo1的硬度范围(140～220HBW)

由上表可知，高过出1阀整体硬度均在140～220 HBW范围内，而高过出2阀整体硬度均略低于标准下限。选取2个阀体的腹部(图2中硬度相对较低部位3，7点)进行金相组织检验，其中高过出1阀金相组织如图3、图4所示，高过出2阀金相组织如图5、图6所示，参照标准DL/T 999—2006进行组织的球化评定，评定结果见表2。

由图3—6和表2可知，高过出1阀体金相组织为正常的铁素体+贝氏体组织，球化级别约2～3级，高过出2阀体金相组织为异常的铁素体+贝氏体组织，球化级别约2～3级。对比2个阀体的金相组织可以看出，2个阀体的金相组织球化级别并不严重，但是高过出2阀的晶粒较1阀明显粗大，且2阀的组织为异常的铁素体+贝氏体组织，参考标准GB/T 8493—1987 《一般工程用铸造碳钢金相》(以下简称GB/T 8493—1987)推测该组织应该为残余铸态组织[7]。可见，高过出2阀金相组织晶粒粗大和存在残留铸态组织是其硬度较低的主要原因。

图3 高过出1阀金相组织(200×)Fig.3 Metallographic structure of No.1 valve at outlet of high-temperature superheater(200×)

图4 高过出1阀金相组织(400×)Fig.4 Metallographic structure of No.1 valve at outlet of high-temperature superheater(400×)

图5 高过出2阀金相组织(200×)Fig.5 Metallographic structure of No.2 valve at outlet of high-temperature superheater(200×)

图6 高过出2阀金相组织(400×)Fig.6 Metallographic structure of No.2 valve at outlet of high-temperature superheater(400×)

3 结果讨论与原因分析

上文提到相关标准并未对WC9材质做硬度、金相组织方面的质量要求，但通过现场硬度、金相组织检验可以看出2个安全阀之间存在较大的差异，下面针对高过出2阀硬度偏低、晶粒粗大、残留铸态组织等问题进行讨论并分析，并做进一步评估。

3.1 晶粒粗大、残留铸态组织的成因及影响

王荣在文献[8]中提到铸件晶粒粗大在本质上属于冶金缺陷，主要与铸件结构和工艺设计、浇冒口系统、型砂、制芯、造型、化学成分、熔化工艺、浇铸、热处理不当、机械加工不当等众多因素有关。

表2 安全阀阀体金相组织结果Tab.2 Test results of the safety valve metallographic structure

2个安全阀的结构、工艺、流程、材质、机加等完全相同，主要差异体现在性能与金相组织上，因此推测阀体铸造过程中热处理可能存在较大差异。

GB/T 8493—1987中规定了正常的正火组织对应的热处理温度为AC3+(50～150 ℃)，此时组织为等轴状的铁素体+珠光体，而非正常组织有2种，即低于正常正火温度(AC1～AC3)形成的铁素体+珠光体+残留铸态组织和高于正常正火温度(AC1+150 ℃以上)形成的铁素体+珠光体+魏氏组织(组织粗化)。本次现场金相检验结果表明，高过出2阀的金相组织应为铁素体+珠光体+残留铸态组织，推测该阀体热处理正火温度应处于AC1～AC3区间。

ASTM A217/A217M—2014中规定牌号WC9供货态热处理制度为正火加回火，最低回火温度应为675 ℃，且铸件的热处理应在铸件温度冷却到相变区域以下进行。但如果加热温度不到AC3相变线以上，或保温时间不足，碳化物未能充分溶解于奥氏体中，冷却后金相分析，其显微组织是残留铸态枝晶组织，晶粒度粗大到无法评级，力学性能大大低于技术指标。

3.2 铸钢件力学性能与金相组织的关系

铸件进行金相分析可以监控阀体制造过程的内在质量，了解特殊工序工艺执行状况。在铸钢件金相分析实践中，如出现组织评定不合格，但铸件的力学性能却是合格的，只要合同里没有明确规定铸件金相组织级别的，习惯上还是以力学性能指标合格为准。比如，双相不锈钢中铁素体含量偏高(不超出上限)引起晶粒粗大，但力学性能合格的，在不影响耐腐蚀性情况下，也可以接受。

JB/T 5263—2005和ASTM A217/A217M—2014均未对牌号WC9做硬度、金相组织的要求，且未见业主与供应商之间的相关技术协议规定，那么此次该电厂2台安全阀的现场硬度、金相组织检验结果仅供参考，不能作为最终结果评判依据，但是参考同类铸钢件的相关标准，可以推测2个阀体的性能状况，其中高过出1阀性能优于高过出2阀，高过出2阀金相组织明显异常。