(太原煤炭氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司 山西 030032)
2019年3月16日,某燃?xì)庥邢薰?#原料氣壓縮4級缸活塞桿檢修完啟動運(yùn)行2小時(累計(jì)運(yùn)行8000多小時)后發(fā)生斷裂事故,活塞桿工作溫度低于105℃,工作介質(zhì)為焦?fàn)t煤氣,活塞桿直徑為100mm,材料為42CrMoE合金結(jié)構(gòu)鋼,原料氣壓縮機(jī)活塞桿示意圖如圖1所示。
圖1 焊接活塞
2019年8月,某燃?xì)庥邢薰緦⑸鲜霭l(fā)生斷裂的4級缸活塞桿送交至某金屬研究所,對活塞桿斷裂性質(zhì)進(jìn)行原因分析,結(jié)果如下:
(1)斷口表面分析。斷裂處距活塞桿螺紋端面經(jīng)測量長度約為1.39m。由于送檢活塞桿較長,斷裂后的活塞桿表面銹蝕較重,為環(huán)向斷裂,斷裂處較平直,不便于對斷口進(jìn)行檢查,故用線切割從斷口下方16mm處將斷口切下,并對斷口表面銹蝕嚴(yán)重且發(fā)生研磨,發(fā)現(xiàn)刮油環(huán)彈簧或填料函彈簧掉入斷口留下的擠壓痕跡,即瞬斷區(qū)。對端口部位進(jìn)一步放大,有三處斷裂臺階,并伴隨一條弧線出現(xiàn),判斷應(yīng)為疲勞弧線,疲勞弧線是疲勞斷口的典型宏觀形貌,說明該斷口為疲勞斷口,疲勞源的位置可見明顯的放射狀紋理,紋理由活塞桿表面起始、向心部擴(kuò)展,疲勞源為線源,長度約為6mm、寬度約為0.9mm,疲勞源側(cè)面可見軸向摩擦痕跡,疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口較為平坦,但銹蝕嚴(yán)重,以致無法分辨斷裂形貌。
(2)斷口側(cè)面分析。對活塞桿斷口側(cè)面的切割面放大分析,斷裂面的切割面的分布不均勻,一部分摩擦面粗糙,磨損較重,可見清晰的軸向摩擦痕跡;另一部分摩擦面光亮,磨損輕微,隱約可見稀疏的軸向摩擦痕跡,這說明送檢活塞桿摩擦面局部存在偏磨現(xiàn)象。從送檢活塞桿疲勞源側(cè)面斷口疲勞源位置觀察,可見疲勞源側(cè)面存在清晰的軸向摩擦痕跡,垂直于摩擦痕跡發(fā)現(xiàn)兩條與斷口面平行的環(huán)向裂紋,長度約為8.5mm。
(3)低倍組織檢查。在斷口下方約16mm處切取平行于斷口方向的環(huán)向低倍組織試片,經(jīng)50%鹽酸水溶液熱腐蝕后,根據(jù)《GB/T 1979-2001結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》進(jìn)行評級,一般疏松為1.5級,未見中心疏松、錠型偏析、一般點(diǎn)狀偏析和邊緣點(diǎn)狀偏析。在低倍試片上測量淬硬層深度,結(jié)果為淬硬層深度約為4.27mm。
(4)夾雜物和晶粒度檢查。檢測送檢活塞桿淬硬層和基體的夾雜物,檢測可見夾雜物很少,不需要進(jìn)行評級。送檢活塞桿淬硬層和基體的晶粒度圖像,根據(jù)《GB/T 6394-2002金屬平均晶粒度測試方法》進(jìn)行評級,淬硬層為9級,基體為7級。
(5)金相組織檢查。垂直于活塞桿斷口切取疲勞源金相試樣,經(jīng)粗磨、精磨、拋光后得到的金相磨面斷口面,活塞桿疲勞源表面有腐蝕坑。對腐蝕坑的放大像,圖像顯示活塞桿表面發(fā)生腐蝕,可能與活塞桿所處的環(huán)境氣氛有關(guān)。金相磨面經(jīng)腐蝕后的金相組織,從斷口面處疲勞源顯示,活塞桿淬硬層外的淬火馬氏體組織,呈灰白色,說明活塞桿淬硬層發(fā)生了二次淬火,疲勞源正是位于二次淬火區(qū)域內(nèi),疲勞源處的組織為淬火馬氏體組織。距斷口約15mm處的活塞桿表面裂紋由活塞桿表面萌生、向心部擴(kuò)展;經(jīng)腐蝕后的裂紋萌生于發(fā)生二次淬火區(qū)域的淬火馬氏體組織和上貝氏體+少量回火索氏體混合組織。
(6)硬度測試。表1送檢活塞桿淬硬層洛氏硬度測試結(jié)果,淬硬層表面硬度43.2HRC,淬硬層內(nèi)部硬度為49.7HRC,均低于規(guī)定值要求。表2是送檢活塞桿基體布氏硬度測試結(jié)果,基體硬度平均為254HBS,低于標(biāo)準(zhǔn)值要求。表3是送檢活塞桿基體上貝氏體組織和回火索氏體的顯微硬度測試結(jié)果,上貝氏體組織平均硬度為251HV0.3,回火索氏體組織平均硬度為325HV0.3。
表1 送檢活塞桿催貨層洛氏硬度
表2 送檢活塞桿基體布氏硬度
表3 搜擬建活塞桿基體組織顯微硬度
(7)力學(xué)性能測試。從送檢活塞桿基體中切取3根拉伸試樣和3根沖擊試樣,分別用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試,結(jié)果如表4所示,活塞桿的屈服強(qiáng)度處于標(biāo)準(zhǔn)值下限、抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值要求,斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。
表4 送檢活塞桿力學(xué)性能測試結(jié)果
(8)化學(xué)成分分析。從送檢活塞桿基體切取Φ30mm×10mm圓片一個和10g分析屑,使用直讀光譜儀、熒光光譜儀和ICP光譜儀進(jìn)行元素成分分析,結(jié)果如表5所示,元素分析結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。
表5 送檢活塞桿化學(xué)成分
送檢活塞桿斷口檢查結(jié)果表明,活塞桿斷口存在疲勞弧線,說明活塞桿屬于疲勞斷裂,疲勞源位于活塞桿淬硬層表面,斷口上瞬斷區(qū)面積較小,說明疲勞裂紋擴(kuò)展時受到的工作應(yīng)力較小。對斷口疲勞源側(cè)面檢查結(jié)果可知,活塞桿表面局部存在軸向摩擦痕跡,并且疲勞源側(cè)面磨損較重,從而引起活塞桿表面產(chǎn)生環(huán)向磨削裂紋,而疲勞擴(kuò)展區(qū)對應(yīng)的活塞桿表面磨損輕微,說明活塞桿存在偏磨現(xiàn)象。對送檢活塞桿的金相組織檢查結(jié)果表明,基體組織為上貝氏體和少量的回火索氏體,硬度測試結(jié)果說明上貝氏體硬度(251HV)明顯低于回火索氏體硬(325HV),活塞桿基體的布氏硬度測試結(jié)果也與上貝氏體硬度基本一致,而42CrMoE鋼正常調(diào)質(zhì)處理后的組織應(yīng)為回火索氏體組織,說明活塞桿調(diào)質(zhì)處理工序出現(xiàn)偏差,應(yīng)與淬火冷卻速度較慢有關(guān)。
對送檢活塞桿的力學(xué)性能測試結(jié)果表明,送檢活塞桿的淬硬層硬度、基體硬度、基體抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值要求,基體屈服強(qiáng)度僅處于標(biāo)準(zhǔn)值下限,致使活塞桿中部受到彎矩作用與填料發(fā)生偏磨,對疲勞源的截面金相組織檢查結(jié)果說明,距斷口15mm處活塞桿局部表面由于磨削發(fā)生二次淬火生成淬火馬氏體組織,磨削裂紋萌生于淬火馬氏體組織并向心部擴(kuò)展;疲勞源處的組織為二次淬火后形成的淬火馬氏體組織,淬火馬氏體組織硬而脆、易產(chǎn)生裂紋,在拉壓交變工作應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂。送檢活塞桿的化學(xué)成分、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。
(1)送檢活塞桿斷口屬于疲勞斷裂,疲勞源位于活塞桿淬硬層表面,斷口距活塞桿螺紋端面的長度約為1.39米。(2)送檢活塞桿的淬硬層硬度、基體硬度、基體抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)值要求,基體屈服強(qiáng)度僅處于標(biāo)準(zhǔn)值下限,致使活塞桿中部受到彎矩作用與填料發(fā)生偏磨,從而萌生磨削裂紋后在拉壓交變工作應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂。(3)送檢活塞桿的化學(xué)成分、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。