李海霞 黃 亮 李興東 王梅英

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

某電廠高壓調(diào)節(jié)閥輔助彈簧斷裂分析

李海霞 黃 亮 李興東 王梅英

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

通過化學成分分析、硬度檢驗、金相組織檢驗、斷口宏觀分析及微觀分析，對某電廠高壓調(diào)節(jié)閥輔助彈簧斷裂失效原因進行了綜合分析。結(jié)果表明，彈簧在加工過程中出現(xiàn)較大尺寸的原始裂紋是彈簧發(fā)生脆性斷裂的主要原因。

彈簧；原始裂紋；脆性斷裂

某機組在做高壓調(diào)節(jié)閥靜態(tài)試驗時，發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)節(jié)閥操縱座的一件杠桿輔助彈簧發(fā)生斷裂。彈簧材質(zhì)為60Si2MnA，主要制造流程為：彈簧卷制→淬火→回火→去油酸洗→鍍錫→去氫→成品。斷裂位置如圖1所示。彈簧是高壓調(diào)節(jié)閥的主要配件，高壓調(diào)節(jié)閥的泄放主要是通過彈簧完成的。因此，彈簧的正常運行對高壓調(diào)節(jié)閥乃至機組系統(tǒng)的安全運行起著至關(guān)重要的作用[1-3]。為找出此次彈簧的斷裂原因，防止同類事故的再次發(fā)生，對彈簧斷裂失效原因進行分析[4]。

圖1 彈簧斷裂位置Figure 1 Fracture position on spring

1 材質(zhì)分析

1.1 化學成分分析

彈簧的化學成分分析結(jié)果見表1，由表1可見彈簧的化學成分符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中的規(guī)定。

1.2 洛氏硬度

彈簧60Si2MnA鋼的洛氏硬度分析結(jié)果見表2，由表2可見彈簧的洛氏硬度符合GB/T 230.2—2012中的規(guī)定。

1.3 金相分析

在彈簧上取樣制備金相樣品，彈簧的金相照片如圖2所示，夾雜物評定結(jié)果為D1，組織為回火屈氏體，晶粒度9級。

2 斷口分析

2.1 宏觀斷口分析

表1 60Si2MnA鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of steel 60Si2MnA (Mass, %)

表2 彈簧的洛氏硬度分析結(jié)果Table 2 Rockwell hardnessanalysis result of spring

圖2 彈簧金相照片F(xiàn)igure 2 Metallograhpic picture of spring

彈簧斷口的宏觀照片和縱剖面裂紋形貌如圖3所示。從彈簧斷面可以看到，斷口分為兩個區(qū)域，自彈簧內(nèi)弧側(cè)表面有一個長約30 mm、深約10 mm的“山”形區(qū)，該區(qū)域較為平坦，氧化銹蝕嚴重，呈鐵銹色，裂紋面的邊緣與彈簧的軋制方向一致。斷面的其它區(qū)域呈淺灰色，可見從“山”形小斷面的邊緣向外呈放射狀的棱線，斷面高低起伏，局部有銹斑。另一段彈簧縱剖面上也存在裂紋，裂紋與彈簧的軋制方向一致。

(a)斷裂彈簧宏觀斷口形貌(b)斷裂彈簧裂紋剖面形貌圖3 彈簧斷口形貌Figure 3 Fracture morphology of spring

2.2 微觀斷口分析

用掃描電鏡對彈簧斷口進行觀察，斷口微觀形貌見圖4。由圖4可見，“山”形裂紋區(qū)斷口氧化嚴重，斷口形貌為沿晶斷裂。斷面其他開裂區(qū)域斷口形貌也是沿晶斷裂+韌窩，可見二次裂紋。

(a)“山”形區(qū)內(nèi)銹蝕形貌(b)“山”形區(qū)與其他開裂區(qū)交界處微觀形貌(c)開裂區(qū)微觀形貌(d)開裂區(qū)微觀形貌圖4 彈簧斷口微觀形貌Figure 4 Micro-morphology of spring fracture

3 分析與討論

斷口分析表明，根據(jù)斷口形貌以及氧化程度可以發(fā)現(xiàn)，斷口并非一次形成，彈簧內(nèi)弧側(cè)“山”形斷面區(qū)域嚴重氧化銹蝕，是彈簧加工過程中形成的原始裂紋[5]。彈簧在加熱狀態(tài)下進行卷制、劈距，然后進行調(diào)質(zhì)處理。彈簧鋼絲熱卷前是熱軋態(tài)，彈簧鋼絲表面有熱軋遺留的直道，在熱卷時因承受的載荷過高、變形過大，沿直道出現(xiàn)開裂，彈簧上原始裂紋起裂方向與彈簧絲上直道的方向一致[6]。彈簧鋼絲硬度值很高，缺口敏感性很大，加上已有長約30 mm、深約10 mm的原始裂紋，大大降低了彈簧的承載能力，高壓調(diào)節(jié)閥靜態(tài)試驗時，超過了杠桿輔助彈簧的承載能力，導致彈簧發(fā)生瞬時斷裂。

4 結(jié)論

(1)彈簧的斷裂類型是脆性斷裂，彈簧在加工過程中工藝控制不當，致使彈簧表面出現(xiàn)較大尺寸的原始裂紋是彈簧發(fā)生脆性斷裂的主要原因。

(2)建議彈簧在安裝運行前嚴格檢查，保證其表面質(zhì)量。

[1] 劉華戡，馬現(xiàn)云. 高壓主汽調(diào)節(jié)閥常見故障分析與處理[J]. 發(fā)電設(shè)備，2008(06): 488-490.

[2] 蘇德達，李憶蓮．機械產(chǎn)品失效分析叢書(零件-2)彈簧的失效分析[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1988：59-62．

[3] 馮硯廳，孫澎，孫濤，楊建菊. 電站鍋爐汽包安全閥彈簧斷裂失效分析[J]. 熱加工工藝，2013，42(8)：227-228.

[4] 張棟，鐘培道，陶春虎．失效分析[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2004：29-50．

[5] 鐘群鵬，趙子華．斷口學[M]．北京：高等教育出版社，2006：270-290．

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編輯 陳秀娟

Fracture Analysis on High Pressure Control Valve Assisted Spring of Power Plant

LiHaixia,HuangLiang,LiXingdong,WangMeiying

Based on the chemical composition analysis, the hardness test, the metallographic structure, macro-structure inspection and the fracture morphology analysis, the fracture causes of high pressure control valve assisted spring of power plant was analyzed. The results show that the main reason of spring brittle fracture was the appearance of a large size of original crack while the spring was machined.

spring; original crack; brittle fracture

2017—05—25

李海霞(1987—)，女，碩士，工程師，從事失效分析、新材料研發(fā)以及包括應(yīng)力分析、相變分析、斷裂韌性等在內(nèi)的材料相關(guān)實驗工作。

TG214

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