火力发电厂阀门主要用于控制流体压力、流量和流向，是保障电站安全运行的重要附件，其中阀杆是轴类零件，由外圆柱面、外圆锥面、外螺纹等组成，上部连接执行机构或手柄，下部直接带动心部移动或转动，是阀门重要的传动部件。在阀门启闭过程中，阀杆除承受轴向外力和传动机构的扭矩外，同时还受到高温高压介质的冲击和腐蚀，因此容易在应力集中部位发生断裂事故。

研究人员总结了最近几年国内电厂阀杆的断裂案例，并结合自身在工作中遇到的问题，将引起事故的原因分为阀杆自身因素和外部因素两大类，以为火电厂阀杆断裂原因分析提供参考。

1.自身因素

1.1 阀杆材料原因

1.1.1 错用材料

错用材料可能会使服役期间阀杆的力学性能不满足阀门厂家的设计要求，容易在应力集中部位产生裂纹，最终导致阀杆断裂。王志武等分析了300MW汽轮机高压主汽阀阀杆断裂的原因，发现该阀杆选用20Cr2MoVCu钢，而并非设计材料2Cr12NiMoWV钢，在加工过程中，热处理温度过高使材料的晶粒粗大以及综合力学性能较差，造成材料不满足服役的要求。

1.1.2 材料组织劣化

绝大多数阀杆处在高温工况下，长时间的高温服役易造成材料组织劣化。晶界附近网状碳化物的析出可导致材料的力学性能不满足标准要求，增加阀杆断裂的潜在风险。彭以超等研究了亚临界300MW 机组高压主汽阀阀杆断裂的原因，结果表明材料为C422钢的阀杆由于服役时间较长，在晶界附近产生较多网状碳化物，造成晶界弱化，材料的抗拉强度与屈服强度均低于标准值。

1.1.3 硬化层

随着电厂载荷的变化，阀杆在使用过程中不间断地上升与下降，与周围部件产生摩擦，阀杆一直处在交变的高压蒸汽冲击应力和高温热应力场中，因此要求材料必须具备较高的耐磨和抗疲劳特性。常用的方法是采用渗氮技术提高材料表面硬度，同时保持心部良好的韧性，使阀杆获得较好的使用性能。对于缺口敏感的变径处，渗氮层会增加变径部位表层材料的脆性，使微裂纹在该处萌生并扩展（见图1），因此对于缺口敏感的变径部位，在渗氮过程中应遮盖或者在渗氮后采用机械加工的方式去除表面硬化层。

1.1.4 冶炼工艺

阀杆一般由非真空冶炼→电渣重熔→压机镦拔开坯→完全退火→表面磨光→轧制→等温退火→调质→校直→表面酸洗磨光等工序制造而成。如果冶炼工艺处理不当，可能会在材料中引入非金属夹杂物等缺陷。在阀杆的横断面上，非金属夹杂可以呈点状、片状、链状或团块状分布，严重的夹杂物容易引起材料的开裂或降低其使用性能。张学星等对X39CrMo17-1不锈钢阀杆的断裂原因进行分析，发现阀杆心部存在硫化物类非金属夹杂物，级别为2.5级，已达标准要求的上限；且材料的冲击性能不满足相关标准要求，说明冶炼质量不佳是导致事故发生的一个重要原因。

1.1.5 热处理工艺

热处理是阀杆制造工序的重要环节，热处理工艺的好坏决定着阀杆最终使用的综合性能。周丽琴等研究了电动闸阀杆的断裂原因，发现阀杆热处理调质环节的淬火和回火保温时间不足，使冲击韧度远低于标准要求，材料脆化。同时，调查发现这只是个例情况，分析认为可能是个别阀杆因装炉方式不当而在热处理过程中出现了异常。此外，热处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，使材料产生原始缺陷，易在加工刀痕应力集中处提前产生裂纹源，增加了服役过程中的风险。江国栋等研究了汽轮机阀杆在退刀槽处的断裂原因，结果在断口附近退刀槽外表面发现较大的加工刀痕[ 见图2（a）]，经放大观察，可见这些加工刀痕已形成许多裂纹，且裂纹已向内部扩展[见图2（b）]。

1.2 阀杆结构原因

阀杆断裂位置基本都在退刀槽、螺纹根部等变径部位（见图3），阀杆变径处的结构形式一方面造成应力高度集中，另一方面缩小了承载面积，是阀杆整体最薄弱的部位。张学星等对阀杆退刀槽部位的应力状态进行了有限元模拟分析。首先将螺纹部分简化为直杆，并且在中间变径区域细化网格[见图4（a）]；然后在底部施加固定约束，在上部施加200N·m的扭矩和500N的拉力[ 见图4（b）]；最终通过等效应力云图[ 见图4（c）]发现在变径处存在应力集中，且整个退刀槽部位的受力和两端相比较大，是造成阀杆断裂的危险区域。

因此，最好在阀杆的变径部位设置圆滑过渡，以缓解应力集中造成的潜在危害（见图5）。廖煜辉对改进前后的阀杆10% 开度下的应力状态进行模拟（见图6），改进优化前阀杆变径直角阶梯处等效应力分布极不均匀，有局部出现应力过高的状况，其中最大值为4.3167MPa；优化后的等效应力分布比较均匀，等效应力为3.3458MPa，改善效果明显。

2.外部因素

2.1 服役条件因素

电厂阀杆一般在高温高压的工况中服役，机组正常运行条件下，阀门内的蒸汽压力和温度变化幅度不大，此时只要所用阀杆材料的性能满足要求，发生断裂的情况极少。然而，目前火电机组在运行过程中常常伴随启停、载荷波动以及深度调峰等情况，此时阀门内的蒸汽压力和温度将会不断变化，产生交变的冲击应力和热应力，在该条件下服役的阀杆易发生疲劳断裂。引起疲劳断裂的应力一般远低于材料的强度极限，有时甚至低于弹性极限，且具有突发性，因此危险性极大。

2.2 阀门结构因素

阀门结构设计不合理可能会造成阀杆的高频振动，导致阀杆疲劳断裂。廖源等研究了高压调阀阀杆的振动问题，发现振动是阀壳进汽腔室设计不合理引起的：汽缸上半部的2个调门阀壳腔室相通（下半部相同），蒸汽从左右2根管道进入同一腔室，腔室内流场复杂，汽流激振力频率一旦与阀芯零件固有频率接近，调阀阀芯零件将产生振动，特别是阀门小开度或仅开启1 只阀门时，振动强度更大，对设备的破坏程度也更大。

2.3 阀门附近管道布置

研究人员在分析一起高旁阀阀杆断裂事故时，发现机组高旁阀与主蒸汽管道通过T型三通和大小头连接，主蒸汽管道与高旁阀距离设计值为941mm，现场实际测量值为1200mm。阀门厂家安装手册中说明：“上游阀门的入口需要一段直管道，直管道长度为5倍管道内径，且最短为2~5m，在这个部分不能有任何部件，特别要尽量避免T型接头，如果有多余的设备安装在阀门上游管道，延长直管道距离是必须的”。

标准DL/T 5054—2016《火力发电厂汽水管道设计规范》中要求“：亚临界及以上参数机组主蒸汽管道的合流或分流三通宜采用斜三通或‘Y’型三通等，汽轮机旁路阀前应有一定的直管段，其尺寸和布置要求应与制造厂协商确定”。现场实际阀门上游直管距离仅为1 200 mm，小于阀门厂家要求的最小直%管长度，且通过T 型三通连接，阀门在开启状态下易发生振动幅度增大的情况，影响阀杆的疲劳寿命。

3.结语

总结了电厂阀杆发生断裂的各种因素，可以明确的是，断裂事故一般不是由单一因素造成的，而是多因素共同作用的结果。因此，在对断裂原因进行分析时，应尽可能从多方面查找问题。对阀杆断裂形式和原因的深入分析可为阀杆材料在设计、制造加工、服役，以及机组在设计、运行方面存在的问题提供指导意见，保证火电机组的平稳、安全运行。

作者：闫敬明

单位：中国大唐集团科学技术研究总院有限公司西北电力试验研究院 材料研究所

来源：《理化检验-物理分册》2025年第1期