再熱主汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧摩擦斷裂分析

胡明磊，王 力，張 維，劉洪群，李成濤

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司二廠，浙江 嘉興 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

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再熱主汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧摩擦斷裂分析

胡明磊1，王 力2,*，張 維1，劉洪群2，李成濤2

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司二廠，浙江 嘉興 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

電廠再熱主汽閥使用一段時(shí)間后，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧多處出現(xiàn)摩擦磨損，部分摩擦位置已經(jīng)出現(xiàn)裂紋甚至斷裂失效。通過(guò)顯微硬度、金相組織、宏微觀分析等手段對(duì)失效彈簧進(jìn)行分析，確定了彈簧發(fā)生斷裂失效的主要原因。結(jié)果表明：使用過(guò)程中彈簧處于橫置狀態(tài)，與底部限位鋼管接觸并發(fā)生摩擦磨損，產(chǎn)生硬而脆的摩擦白層，白層組織內(nèi)含有大量微裂紋，彈簧內(nèi)切應(yīng)力的作用促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致彈簧斷裂失效。

彈簧斷裂；摩擦；磨損；白層；執(zhí)行機(jī)構(gòu)

0 引言

彈簧作為機(jī)械產(chǎn)品中重要的基礎(chǔ)件，依靠材料的彈性和自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)機(jī)械能(或動(dòng)能)和形變能的相互轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)緩沖和吸振、控制運(yùn)動(dòng)、儲(chǔ)存能量和測(cè)量力和力矩等功能。彈簧的過(guò)早斷裂、磨損、腐蝕、松弛及變形等失效形式，經(jīng)常會(huì)引起機(jī)械設(shè)備的重大故障[1]。導(dǎo)致彈簧失效的主要因素有材料缺陷、加工制造缺陷、熱處理不當(dāng)、表面處理不當(dāng)和工作環(huán)境等[2-4]。

電廠汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)共有6臺(tái)再熱主汽閥，每個(gè)閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)含4組串聯(lián)的彈簧(外彈簧和內(nèi)彈簧為1組，每組相鄰彈簧用鋼盤(pán)相隔)，彈簧外圈周向平均分布6根限位鋼管(圖1)。外圈彈簧由φ50 mm的硅錳鋼材料制造，彈簧外徑為445 mm，自由高度575 mm，圈數(shù)為5，彈簧表面涂有黑色油漆防護(hù)層。在設(shè)備檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)多臺(tái)閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧出現(xiàn)磨損，部分彈簧已經(jīng)斷裂，影響到閥門(mén)的正常調(diào)節(jié)和開(kāi)關(guān)功能。本研究對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行宏微觀檢查、金相組織和顯微硬度檢測(cè)等并通過(guò)分析得出彈簧的失效原因[5]。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

打開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼，檢查發(fā)現(xiàn)外彈簧與限位鋼管的配合存在一定的間隙，彈簧橫置后，會(huì)與底部限位鋼管相接觸。選取其中一根已斷裂的彈簧進(jìn)行分析，外彈簧與底部限位鋼管接觸的5個(gè)外圈面上均出現(xiàn)不同程度的磨損，5個(gè)磨損面連成一條直線，與彈簧軸線平行，未接觸位置的彈簧表面漆膜完整，彈簧整體變形不明顯。彈簧第1圈和第2圈位置的磨損較嚴(yán)重，各有1個(gè)貫穿斷口，其余3圈的磨損面未見(jiàn)明顯的裂紋(圖2)。磨損面為橢圓狀亮銀色，無(wú)腐蝕產(chǎn)物，磨損形貌呈犁溝狀，磨損面上部分金屬出現(xiàn)壓皺和堆垛情況(圖3)，未斷裂位置的彈簧外圈磨損相對(duì)較輕。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

彈簧斷口與橫截面約成40°。對(duì)應(yīng)斷口吻合度較好，無(wú)多余碎片產(chǎn)生。斷面呈灰白色，靠近磨損面的斷口顏色較暗，為起裂區(qū)；下游扇形區(qū)域斷面較平滑，為擴(kuò)展區(qū)；瞬斷區(qū)表面粗糙，帶有明顯的放射狀條紋(圖4)。

圖2 彈簧整體宏觀形貌

圖3 彈簧磨損面照片

圖4 彈簧斷口宏觀形貌

1.2 金相組織

采用Axiovert 200 MAT金相顯微鏡進(jìn)行金相分析，彈簧組織為回火屈氏體，夾雜物等級(jí)為D0.5。在磨損橫截面上觀察到一條厚約70 μm的“摩擦白層”結(jié)構(gòu)(圖5)，該結(jié)構(gòu)很難用常規(guī)浸蝕劑進(jìn)行浸蝕。

1.3 顯微硬度檢測(cè)

對(duì)摩擦白層和基體分別進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，其結(jié)果見(jiàn)表1，摩擦白層的平均硬度為HV 795，基體組織的平均硬度為HV 464.5。可見(jiàn)摩擦白層的硬度顯著高于基體組織硬度，約是基體組織硬度的1.7倍。

1.4 微觀分析

采用JEOL JSM-6480型掃描電子顯微鏡對(duì)斷口表面形貌進(jìn)行微觀分析。圖6a為起裂區(qū)，斷口形貌在彈簧壓縮和回彈的往復(fù)過(guò)程中已遭到破壞，斷口擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理形貌(圖6b)，瞬斷區(qū)帶有韌窩特征(圖6c)，整個(gè)斷口區(qū)域沒(méi)有發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征。磨損表面的微觀形貌如圖6d所示，在高倍電鏡下磨損表面布滿微觀裂紋。

圖5 磨損橫截面的金相組織

ItemPosition1Position2Position3AverageWhitelayer785.0797.9802.1795.0Springbase463.9468.3461.3464.5

2 分析與討論

從上述分析可知，外彈簧與限位鋼管之間存在一定間隙，正常運(yùn)行過(guò)程中彈簧橫置在筒體內(nèi)，由于彈簧自身較重，會(huì)與底部的限位鋼管接觸，彈簧和限位鋼管上抹有潤(rùn)滑脂。檢查發(fā)現(xiàn)兩者接觸部分均有磨損現(xiàn)象，磨損較嚴(yán)重的2圈彈簧發(fā)生斷裂，較輕微的磨損面未見(jiàn)宏觀裂紋，外彈簧其余表面漆膜完好，未見(jiàn)磨損。檢測(cè)表明裂紋均起源于磨損面，金相顯微鏡下觀察其橫截面有一條厚約70 μm的摩擦白層。白層顯微硬度約為HV 795，是彈簧基體材料硬度的1.7倍。

圖6 微觀形貌分析

摩擦學(xué)白層是一種形成條件極寬、表現(xiàn)形式各異的磨損表面組織。該組織不易被常規(guī)浸蝕劑浸蝕，鐵基材料形成的該組織結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下呈白色，硬度通常為HV 800～1200，遠(yuǎn)高于基體材料，甚至是基體的數(shù)倍，白層厚度一般在0.1～100 μm之間[6-7]。

閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，彈簧發(fā)生壓縮或回彈，并與限位鋼管產(chǎn)生摩擦。由于彈簧表層材料的變形以及摩擦熱的作用，會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)的塞積和空位聚集，促使裂紋萌生。白層中普遍存在與表面呈不同角度的微觀裂紋[8-10]，Yang等發(fā)現(xiàn)由于摩擦形變很大而產(chǎn)生微裂紋，并在外力作用下發(fā)生擴(kuò)展[11]。在彈簧壓縮過(guò)程中，其外圈橫截面會(huì)受到切應(yīng)力的作用，導(dǎo)致白層表面及次表面的微裂紋向彈簧芯部加速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致彈簧斷裂[12]。針對(duì)上述分析結(jié)果，沿某個(gè)未斷裂的彈簧磨損面進(jìn)行切剖，觀察到如圖7所示的裂紋形貌，裂紋起源于磨損面白層結(jié)構(gòu)內(nèi)，沿白層/基體的交界面擴(kuò)展后最終向彈簧芯部延伸，裂紋總長(zhǎng)約0.4 mm，證明了上述推斷。

圖7 彈簧橫截面裂紋形貌

3 結(jié)論

該閥門(mén)在使用過(guò)程中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)外彈簧與底部限位鋼管接觸并產(chǎn)生摩擦磨損，生成帶微裂紋的白層組織，這些微裂紋在彈簧外圈切應(yīng)力的作用下向彈簧芯部擴(kuò)展并最終導(dǎo)致彈簧斷裂。

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Friction and Fracture Analysis of Spring of Reheating Main-stop Valve Actuator

HU Ming-lei1，WANG Li2,*，ZHANG Wei1，LIU Hong-qun2，LI Cheng-tao2

(1.CNNCNuclearPowerOperationsManagementCo.,Ltd.,ZhejiangJiaxing314300,China;2.SuzhouNuclearPowerResearchInstitute，JiangsuSuzhou215004,China)

The spring in the reheating main-stop valve actuator weared and fractured after serving for a time. The failure cause was analyzed by micro hardness testing, microstructure examination, macro and micro analysis. The results indicate that the contact and friction between the spring and the safety tube resulted in a white layer, which was hard and brittle and had a large number of micro cracks. Under the effect of shear stress, the micro cracks propagated, leading to the failure of the spring.

spring fracture; friction; abrasion; white layer; actuator

2016年3月2日

2016年5月30日

王力(1986年-)，男，碩士，工程師，主要從事電站關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料等的環(huán)境失效、性能和安全可靠性評(píng)價(jià)等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.008

1673-6214(2016)03-0168-04