張森森

（海裝重大專項(xiàng)裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071）

0 引言

某動(dòng)力設(shè)備的蒸汽調(diào)節(jié)閥組主要用于控制進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部蒸汽量，結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓機(jī)構(gòu)通過連桿機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)閥組的閥桿上下移動(dòng)，從而控制進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的蒸汽量。

設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)瞬間超速現(xiàn)象，分析認(rèn)為是由蒸汽調(diào)節(jié)閥組閥桿卡澀引起，通過對(duì)調(diào)節(jié)閥組進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)右側(cè)閥桿斷裂。本文通過查閱國內(nèi)類似閥桿的相關(guān)使用、設(shè)計(jì)和故障處理過程[1-5]，從設(shè)計(jì)計(jì)算、制造及金屬材料失效分析等方面，分析閥桿斷裂的原因。

圖1 蒸汽調(diào)節(jié)閥三維圖

1 閥桿斷裂設(shè)計(jì)及制造分析

1.1 設(shè)計(jì)及制造復(fù)查

蒸汽調(diào)節(jié)閥組閥桿直徑為Φ17，材料為25Cr2MoVA（可從GB/T 3077中進(jìn)行查詢），表面進(jìn)行淡化處理，設(shè)計(jì)使用溫度為～415 ℃，與閥桿相配合的襯套零件與閥桿相同，設(shè)計(jì)配合直徑間隙為（0.10～0.17）。材料的線膨脹系數(shù)見表1。

表1 材料線膨脹系數(shù)

根據(jù)材料線膨脹系數(shù)計(jì)算得：閥桿的直徑增加為0.083 mm，設(shè)計(jì)間隙滿足使用要求。

通過計(jì)算，閥桿的最大作用載荷為4 336 N，按閥桿的直徑計(jì)算出應(yīng)力為19.1 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限930 MPa。因此閥桿的設(shè)計(jì)是滿足要求。

1.2 制造復(fù)查

對(duì)閥桿的原材料進(jìn)行核查，材料化學(xué)成分、機(jī)械性能、硬度及表面滿足技術(shù)要求規(guī)定值、調(diào)質(zhì)處理均滿足要求。

2 失效分析

為更好地分析斷裂的閥桿，對(duì)其材料進(jìn)行了失效分析。圖2為送檢的閥桿，送檢的閥桿包括1根斷裂的閥桿和1根完好的閥桿，要求材料所進(jìn)行如下項(xiàng)目的分析。

圖2 斷裂的調(diào)節(jié)閥閥桿

檢測(cè)過程中采用的試驗(yàn)方法及檢測(cè)設(shè)備見表2。

表2 失效分析方法及儀器

2.1 宏觀分析

截取閥桿斷口處的樣品，斷口宏觀形貌見圖3。

圖3 斷口宏觀形貌圖

圖3(a)中斷口整體較為平整潔凈，呈亮金屬色，未見異物覆蓋，斷面與軸向大致垂直，整體未見明顯塑性變性，斷面較為粗糙，符合外力作用下一次性脆性斷裂的宏觀形貌特征。

將斷口拼合，宏觀形貌見圖3(b)，可見閥桿上存在磨損痕跡，磨損痕跡的邊緣存在明顯輪廓，如圖3(b)中標(biāo)識(shí)所示。綜合宏觀分析，該閥桿斷裂性質(zhì)為外力作用下的一次性脆性斷裂。

2.2 SEM形貌分析與EDS能譜分析

將斷口處樣品置于掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察，斷口SEM形貌見圖4(a)～圖4(d)。放大觀察，斷口主要形貌特征為準(zhǔn)解理＋韌窩，SEM形貌見圖4(e)、圖4(f)，為一次性斷裂的微觀形貌特征。用掃描電鏡對(duì)圖3(b)所見的磨損痕跡處進(jìn)行觀察，SEM形貌見圖5(a)，磨損痕跡的輪廓清晰可見。放大觀察磨損處，可見表面存在異物覆蓋，可見與斷口大致平行的微裂紋，見圖5(b)～圖5(d)，局部可見腐蝕坑，見圖5(e)、圖5(f)。未磨損區(qū)域形貌見圖5(g)、圖5(h)，對(duì)比可知：該區(qū)域未見明顯異物覆蓋與腐蝕坑。閥桿表面的SEM形貌圖如圖5所示。

圖4 斷口SEM形貌

圖5 閥桿表面SEM形貌

圖5 閥桿表面SEM形貌（續(xù)）

截取磨損處的剖面金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察，SEM形貌見圖6(a)，放大觀察，可見閥桿表面存在多個(gè)腐蝕坑，見圖6(b)、圖6(c)，并可見起源于腐蝕坑的與主裂紋大致平行的微裂紋，見圖6(d)。

圖6 剖面金相試樣SEM形貌

分別對(duì)圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)中標(biāo)識(shí)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3?？蓹z測(cè)到較高含量的硫S和氯Cl等腐蝕性元素，說明使用環(huán)境中存在這些元素。綜合斷口及其剖面金相試樣的SEM形貌分析與EDS能譜分析可知，斷裂閥桿斷口SEM形貌符合一次性脆性斷裂的微觀形貌特征，與宏觀分析結(jié)論一致；閥桿表面存在腐蝕坑，為斷裂起源。

表3 能譜分析結(jié)果（單位：wt%）

2.3 化學(xué)成分分析

從斷裂閥桿上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分實(shí)測(cè)值與GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)25Cr2Mo1V的化學(xué)成分技術(shù)要求見表4。由分析結(jié)果可見：斷裂閥桿的化學(xué)成分實(shí)測(cè)值符合技術(shù)要求。

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果（單位：%）

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

從未斷裂閥桿上取拉伸試樣，在斷裂閥桿上取沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)，力學(xué)性能實(shí)測(cè)值與GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)25Cr2Mo1V的力學(xué)性能技術(shù)要求見表5，可見力學(xué)性能實(shí)測(cè)值符合技術(shù)要求。

表5 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

2.5 金相分析

斷口處的剖面金相試樣，經(jīng)化學(xué)試劑侵蝕后置于金相顯微鏡下觀察，顯微組織見圖7。表面硬化層處組織為含氮索氏體＋脈狀組織，顯微組織見圖8(a)，心部顯微組織為回火索氏體，顯微組織見圖8(b)。由圖7可見，靠近斷口處的表面滲氮層顏色較淺，遠(yuǎn)離斷口處的滲氮層顏色較深，見圖7中標(biāo)識(shí)所示。

圖7 金相顯微組織

圖8 金相顯微組織

2.6 氮化層測(cè)試

斷口處的剖面金相試樣經(jīng)磨拋后置于顯微硬度計(jì)上，采用2.907 N試驗(yàn)力測(cè)試斷裂閥桿心部顯微硬度，結(jié)果為256 HV0.3、258 HV0.3、262 HV0.3，平均值為259 HV0.3。采用2.907 N試驗(yàn)力分別檢測(cè)斷裂閥桿斷裂位置附近與遠(yuǎn)離斷口處的氮化層深度，根據(jù)GB/T 11354—2005標(biāo)準(zhǔn)，極限硬度為從試樣表面沿垂直方向測(cè)至比基體高50 HV的位置，即309 HV 0.3，測(cè)試結(jié)果見表6。由結(jié)果可見，斷裂位置附近與遠(yuǎn)離斷口處的氮化層深度無明顯差異，距表面0.1 mm處的硬度無明顯差異。

表6 滲氮深度測(cè)試結(jié)果（HV0.3）

3 結(jié)論

通過化學(xué)成分分析可知，斷裂閥桿化學(xué)成分實(shí)測(cè)值符合相關(guān)的技術(shù)要求。通過力學(xué)性能測(cè)試可知，斷裂閥桿力學(xué)性能實(shí)測(cè)值符合相關(guān)的技術(shù)要求；通過斷口的宏觀分析可知，閥桿的斷口宏觀形貌具有外力作用下一次性脆性斷裂的宏觀形貌特征；通過斷口的SEM形貌分析可知，斷口的微觀形貌具有外力作用下一次性脆性斷裂的形貌特征，與宏觀觀察結(jié)果相符；通過閥桿表面與剖面金相試樣的SEM形貌分析與EDS能譜分析可知，閥桿表面存在腐蝕坑，并可見起源于腐蝕坑的與主裂紋大致平行的微裂紋，說明斷裂起源于腐蝕坑。腐蝕產(chǎn)物中可檢測(cè)到硫（S）和氯（Cl）等腐蝕性說明閥桿使用環(huán)境中存在這些腐蝕性介質(zhì)。

綜上所述，斷裂閥桿閥桿斷裂性質(zhì)為外力作用下的一次性脆性斷裂，斷裂起源于閥桿表面的腐蝕坑處。根據(jù)使用情況，設(shè)備工作1.5天后方可進(jìn)行拆檢，若閥桿在電機(jī)發(fā)生異常后馬上斷裂，那么設(shè)備會(huì)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并且斷口會(huì)在高溫蒸汽環(huán)境與腐蝕性介質(zhì)的共同作用下發(fā)生氧化腐蝕。而從斷口的宏觀與微觀分析來看，斷面較為潔凈，呈亮金屬色，整體未見異物覆蓋，說明斷口沒有受到氧化腐蝕，分析認(rèn)為是在停機(jī)后拆機(jī)檢測(cè)時(shí)才發(fā)生的一次性脆性斷裂。