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摘 要：某电厂汽轮机中压调速汽门门杆在使用过程中发生断裂，断裂门杆数量为两件，编号分别为1#、2#。两件门杆断裂位置均发生于漏气平衡孔处杆段。通过对两件门杆的断裂处进行试验分析，找出断裂原因。
关键词：漏气平衡孔；应力集中；渗氮层；高温蠕变
1 基本情况
中压调速汽门门杆（下称门杆）制造流程为下料→调质→粗加工→半精加工→氮化→精加工。两件门杆结构相同，由螺纹杆体、中心孔、漏气平衡孔（下称平衡孔）构成，平衡孔所处杆段外壁无螺纹，断裂发生于此段平衡孔处。1#、2#门杆材质均为2Cr12NiMo1W1V，工作介质均为537℃过热蒸汽。1#门杆运行时间约32个月，杆体外径49.5mm，中心孔直径18.5mm，从断裂的平衡孔处测量管壁较薄和较厚处（相对位置）尺寸为15mm和16mm，即中心孔偏离杆心约0.5mm；2#门杆运行时间约29个月，杆体外径49.5mm，中心孔直径18.5mm，从断裂的平衡孔处测量管壁较薄和较厚处（相对位置）尺寸为14mm和17mm，即中心孔偏离杆心约1.5mm。
2 宏观检验
两件门杆的断裂区域均存在两个横向垂直、纵向相距约20mm的平衡孔，平衡孔边缘较尖，未做圆角过渡处理，断裂发生于平衡孔处，此处受力截面最小，断口与平衡孔壁的八个交汇处均呈直线，直线区处在平衡孔的平分面上，直线区断口较平坦，有垂直于“直线”的发散条纹，“直线位置”应为启裂区。整个断口被两个平衡孔分割为四个部分，每个1/4部分的断口形式基本相同，大致呈“Z”型，黑灰色，“Z”型中间段（基本平行于杆体纵向）的断口有明显的塑性变形和擦伤痕迹，断口附近的门杆外表面存在多条平行条纹，部分条纹已发展为小裂口，“Z”型中间段应属最终断裂区。当两侧“直线区”的裂纹扩展到一定程度，门杆失稳，“Z”型中间段发生最终的快速断裂。
3 化学成分分析
从1#、2#门杆的1/2厚度处分别取样进行了化学成分分析，仅参考标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V的化学成分要求。1#、2#化学成分与标准要求差异不大。分析结果见表1。
4 力学性能测试
在断裂区附近的螺纹段管材上取拉伸（纵向）、冲击（横向）试样，分别1#、2#门杆上取样进行了力学性能指标测试，仅参考标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定。
1#门杆力学性能测试结果中Rp0.2值稍低于标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定；2#门杆力学性能测试结果中Akv值低于标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定。
测试结果见表2。
5 金相检验
从1#、2#门杆的螺纹杆段、漏气平衡孔处、断口附近取样进行了金相分析。螺纹杆段试样检验面为杆体横截面，漏气平衡孔处试样检验面为平衡孔纵截面。
1#门杆均可见明显渗氮层，组织为ε相+富氮回火索氏体，螺纹杆段1/2厚度处金相组织为回火索氏体；漏气平衡孔处的杆体外表面、杆体内表面、平衡孔内壁渗氮层明显，平均深度约为0.4mm，与平坦的“直线区”断口（启裂区）宽度相当。平衡孔壁的渗氮层中可见裂纹，启裂于渗氮层表面（即平衡孔壁），断口边缘与裂纹内均存在严重的氧化迹象。
2#门杆：各区域的组织形态、类型与1#门杆基本相同。
从金相分析结果看，1#、2#门杆的杆体及漏气平衡孔处杆段均进行了渗氮处理，渗氮层深度与启裂区宽度相当。两件门杆1/2厚度处金相组织均为回火索氏体，属调质态正常金相组织。未发现门杆存在原始缺陷。
6 讨论分析
6.1 两件门杆的中心孔均存在偏离杆心的现象。漏气平衡孔边缘较尖，未做圆角过渡处理，易于发生应力集中现象，且渗氮时漏气平衡孔处杆段未作防护，使其表面具有较大脆性，较脆的应力集中区在受外力作用时，容易萌生裂纹，进而发生断裂。断口呈黑灰色，应属高温氧化所致。
6.2 两件门杆的断裂形式、宏观断口形貌基本相同。门杆经调质后进行表面渗氮处理，使得门杆表面强度较高、硬脆性较大，难以发生塑性变形或弹性变形，门杆心部塑韧性较好。高温状态运行时，轴向力使门杆有纵向微量伸长趋势，当轴向力迫使门杆发生变形时，平衡孔的应力集中部位（即受力截面最小处）的表面硬脆层将发生脆性开裂，形成平坦的直线区断口。此脆性开裂区受力截面最小，处在平衡孔的平分面上（即门杆横截面），为整个断口的启裂区，已形成的开裂缺口将进一步加强应力集中效应，对裂纹的后续扩展起重要的促进作用。宏观检验中，“Z”型断口中间段的门杆外表面的多条平行条纹和小裂口，应属于表面硬脆层不能承受塑（弹）性变形而发生的表面脆性开裂，与直线区断口的启裂性质应属相同。
6.3 从门杆的使用环境、断裂位置、结构特征等方面分析，两件门杆的断裂性质应属高温蠕变。来样（门杆）在实际的使用环境中，蠕变现象是很难避免的，但硬脆层与门杆心部不能发生协调蠕变变形，当门杆心部金属发生蠕变变形时，表面硬脆层将承受更大载荷作用，受力截面最小的平衡孔平分面是应力集中较严重部位，在无法承受过大载荷时，漏气平衡孔壁渗氮层即发生脆性启裂，启裂源进一步加重应力集中效应。在轴向力和高温共同作用下，裂缝以启裂点为源继续扩展（沿门杆横截面方向），当裂纹扩展到一定尺寸，未开裂部分不足以承受载荷作用，发生最终断裂。
建议：在工艺或技术要求允许的情况下，考虑对漏气平衡孔处杆段进行防渗氮保护；门杆避免超载、超温或偏载运行，中心孔尽量保证不偏心；漏气平衡孔内壁尽量光滑，边缘做适当的圆滑过渡处理。
7 结论
两件门杆的断裂性质应属脆性启裂的高温蠕变。在应力和温度作用下，平衡孔壁渗氮层最早发生脆性启裂，裂缝以启裂区为源继续扩展，导致最终断裂。
关键词：漏气平衡孔；应力集中；渗氮层；高温蠕变
1 基本情况
中压调速汽门门杆（下称门杆）制造流程为下料→调质→粗加工→半精加工→氮化→精加工。两件门杆结构相同，由螺纹杆体、中心孔、漏气平衡孔（下称平衡孔）构成，平衡孔所处杆段外壁无螺纹，断裂发生于此段平衡孔处。1#、2#门杆材质均为2Cr12NiMo1W1V，工作介质均为537℃过热蒸汽。1#门杆运行时间约32个月，杆体外径49.5mm，中心孔直径18.5mm，从断裂的平衡孔处测量管壁较薄和较厚处（相对位置）尺寸为15mm和16mm，即中心孔偏离杆心约0.5mm；2#门杆运行时间约29个月，杆体外径49.5mm，中心孔直径18.5mm，从断裂的平衡孔处测量管壁较薄和较厚处（相对位置）尺寸为14mm和17mm，即中心孔偏离杆心约1.5mm。
2 宏观检验
两件门杆的断裂区域均存在两个横向垂直、纵向相距约20mm的平衡孔，平衡孔边缘较尖，未做圆角过渡处理，断裂发生于平衡孔处，此处受力截面最小，断口与平衡孔壁的八个交汇处均呈直线，直线区处在平衡孔的平分面上，直线区断口较平坦，有垂直于“直线”的发散条纹，“直线位置”应为启裂区。整个断口被两个平衡孔分割为四个部分，每个1/4部分的断口形式基本相同，大致呈“Z”型，黑灰色，“Z”型中间段（基本平行于杆体纵向）的断口有明显的塑性变形和擦伤痕迹，断口附近的门杆外表面存在多条平行条纹，部分条纹已发展为小裂口，“Z”型中间段应属最终断裂区。当两侧“直线区”的裂纹扩展到一定程度，门杆失稳，“Z”型中间段发生最终的快速断裂。
3 化学成分分析
从1#、2#门杆的1/2厚度处分别取样进行了化学成分分析，仅参考标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V的化学成分要求。1#、2#化学成分与标准要求差异不大。分析结果见表1。
4 力学性能测试
在断裂区附近的螺纹段管材上取拉伸（纵向）、冲击（横向）试样，分别1#、2#门杆上取样进行了力学性能指标测试，仅参考标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定。
1#门杆力学性能测试结果中Rp0.2值稍低于标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定；2#门杆力学性能测试结果中Akv值低于标准GB/T8732-2004中对2Cr12NiMo1W1V调质状态下的力学性能规定。
测试结果见表2。
5 金相检验
从1#、2#门杆的螺纹杆段、漏气平衡孔处、断口附近取样进行了金相分析。螺纹杆段试样检验面为杆体横截面，漏气平衡孔处试样检验面为平衡孔纵截面。
1#门杆均可见明显渗氮层，组织为ε相+富氮回火索氏体，螺纹杆段1/2厚度处金相组织为回火索氏体；漏气平衡孔处的杆体外表面、杆体内表面、平衡孔内壁渗氮层明显，平均深度约为0.4mm，与平坦的“直线区”断口（启裂区）宽度相当。平衡孔壁的渗氮层中可见裂纹，启裂于渗氮层表面（即平衡孔壁），断口边缘与裂纹内均存在严重的氧化迹象。
2#门杆：各区域的组织形态、类型与1#门杆基本相同。
从金相分析结果看，1#、2#门杆的杆体及漏气平衡孔处杆段均进行了渗氮处理，渗氮层深度与启裂区宽度相当。两件门杆1/2厚度处金相组织均为回火索氏体，属调质态正常金相组织。未发现门杆存在原始缺陷。
6 讨论分析
6.1 两件门杆的中心孔均存在偏离杆心的现象。漏气平衡孔边缘较尖，未做圆角过渡处理，易于发生应力集中现象，且渗氮时漏气平衡孔处杆段未作防护，使其表面具有较大脆性，较脆的应力集中区在受外力作用时，容易萌生裂纹，进而发生断裂。断口呈黑灰色，应属高温氧化所致。
6.2 两件门杆的断裂形式、宏观断口形貌基本相同。门杆经调质后进行表面渗氮处理，使得门杆表面强度较高、硬脆性较大，难以发生塑性变形或弹性变形，门杆心部塑韧性较好。高温状态运行时，轴向力使门杆有纵向微量伸长趋势，当轴向力迫使门杆发生变形时，平衡孔的应力集中部位（即受力截面最小处）的表面硬脆层将发生脆性开裂，形成平坦的直线区断口。此脆性开裂区受力截面最小，处在平衡孔的平分面上（即门杆横截面），为整个断口的启裂区，已形成的开裂缺口将进一步加强应力集中效应，对裂纹的后续扩展起重要的促进作用。宏观检验中，“Z”型断口中间段的门杆外表面的多条平行条纹和小裂口，应属于表面硬脆层不能承受塑（弹）性变形而发生的表面脆性开裂，与直线区断口的启裂性质应属相同。
6.3 从门杆的使用环境、断裂位置、结构特征等方面分析，两件门杆的断裂性质应属高温蠕变。来样（门杆）在实际的使用环境中，蠕变现象是很难避免的，但硬脆层与门杆心部不能发生协调蠕变变形，当门杆心部金属发生蠕变变形时，表面硬脆层将承受更大载荷作用，受力截面最小的平衡孔平分面是应力集中较严重部位，在无法承受过大载荷时，漏气平衡孔壁渗氮层即发生脆性启裂，启裂源进一步加重应力集中效应。在轴向力和高温共同作用下，裂缝以启裂点为源继续扩展（沿门杆横截面方向），当裂纹扩展到一定尺寸，未开裂部分不足以承受载荷作用，发生最终断裂。
建议：在工艺或技术要求允许的情况下，考虑对漏气平衡孔处杆段进行防渗氮保护；门杆避免超载、超温或偏载运行，中心孔尽量保证不偏心；漏气平衡孔内壁尽量光滑，边缘做适当的圆滑过渡处理。
7 结论
两件门杆的断裂性质应属脆性启裂的高温蠕变。在应力和温度作用下，平衡孔壁渗氮层最早发生脆性启裂，裂缝以启裂区为源继续扩展，导致最终断裂。