罐車用安全閥彈簧斷裂原因分析及建議

熊明明

（浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，浙江杭州310020）

0 引言

安全閥是移動式壓力容器重要安全附件，安全閥的工作原理是在給定的壓力下作用彈簧的變形來控制安全閥的開啟與閉合[1]，因此安全閥的彈簧是整個裝置的核心，彈簧是否損壞是安全閥好壞的關(guān)鍵，一旦彈簧斷裂將使得安全閥失效，將失去安全保護作用，因此分析安全閥彈簧的斷裂原因可以避免安全閥失去安全保護功能

圖1為一輛充裝介質(zhì)為丙烷的槽罐車上的兩個安全閥彈簧，解體拆卸后發(fā)現(xiàn)兩個彈簧全部斷裂，查閱出廠文件和使用記錄，該車2015年8月開始使用，2016年8月全面檢驗報告上顯示該安全閥合格，安全閥報告記錄該安全閥公稱壓力2.5 MPa，整定壓力為1.72 MPa，工作溫度為0～40℃。在2017年8月拆卸解體時發(fā)兩個安全閥的彈簧都斷裂。查詢使用單位充裝情況表明該車并無超壓使用情況。

圖1 槽罐車安全閥彈簧

1 宏觀分析

該彈簧表面防銹層未見大量破損，腐蝕情況不嚴重，兩根彈簧的斷裂處都在靠近螺栓方向第二圈至第三圈位置，放大鏡觀察彈簧斷裂處附近有銹蝕斷口表面呈典型的放射線條紋狀，表面整體為黑色，有少量磚紅色銹蝕物。

2 化學(xué)成分分析

光譜儀對試樣進行化學(xué)成分分析，Si含量在1.76%，Mn含量在0.76%，P含量在0.014%，可以看出，斷裂試樣材料化學(xué)成分的檢測結(jié)果滿足標準GB/T1222-2007《彈簧鋼》中60Si2Mn牌號的要求。60Si2Mn是常用的安全閥彈簧用鋼。硅錳彈簧鋼含有硅和錳大大提高彈簧的彈性，同時保持一定的抗拉強度的疲勞強度。

3 金相和硬度分析

3.1 金相分析

對斷口截面進行金相分析，如圖2所示，觀察斷口外側(cè)橫截面的顯微組織，上部為一層脫碳層，厚度約為30μm，可以看出脫碳層中有許多與斷口垂直的微裂紋。表面彈簧斷口放射源為裂紋的發(fā)源地。腐蝕處的脫碳層的微裂紋可能由于彈簧在變形時由于應(yīng)力變化而引起。彈簧鋼內(nèi)部組織細小且均勻，組織屈氏體+馬氏體，60Si2Mn鋼常用的熱處理工藝為淬火加中溫回火，一般在920℃以上產(chǎn)生變形后淬火，在650℃短時間高溫回火，硬度和疲勞強度顯著提高。

圖2 外側(cè)橫截面的顯微組織

3.2 硬度檢測

從斷裂位置向擴展端選取10個點，進行硬度測試。硬度數(shù)值在484HV至534HV之間

根據(jù)GB/T1222-2007彈簧鋼的要求，60Si2Mn的HBW硬度值應(yīng)不大于321，而所測試樣明顯高于標準要求。

4 掃描電鏡分析

如圖3所示對斷口進行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)分布于彈簧銹蝕處邊緣很多微裂紋，斷口表面呈解理斷裂，氧化物分布其中，在空氣中極易被銹蝕。導(dǎo)致解理斷裂的因素有很多，主要有材料性質(zhì)，應(yīng)力狀態(tài)還有環(huán)境因素。微裂紋中的氧化物可以顯著提高彈簧的韌催轉(zhuǎn)換溫度，同時彈簧工作環(huán)境中的介質(zhì)因素，也能促進彈簧的銹蝕已經(jīng)微裂紋的產(chǎn)生。

圖3 彈簧銹蝕斷口裂紋

5 彈簧斷裂原因及分析

（1）彈簧表面并無大面積銹蝕情況，斷口呈現(xiàn)脆性斷裂，硬度偏高，斷口表面金相分析顯示有屈氏體，彈簧鋼常見的熱處理工藝為淬火和中溫回火，得到回火屈氏體[2]。同時噴丸，滲氮等表面處理工藝也應(yīng)用于彈簧制造過程。噴丸的目的是使彈簧表面的晶粒細化，形成一定厚度的強化層，儲存殘余應(yīng)力，在彈簧承受交變載荷時抵銷部分應(yīng)力，從而提高彈簧的疲勞強度，但是如果噴丸過程中并圈處間隙太小，可能導(dǎo)致間隙處的噴完效果不理想，反而產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，在變形過程中該區(qū)域發(fā)生開裂。

（2）彈簧在加工成型后，會在出廠前進行氧化處理或者磷化處理，目的是為了生成一層保護膜，防介質(zhì)止腐蝕，工作中彈簧在交變應(yīng)力作用下覆蓋層破裂，在S，H2O，P等環(huán)境因素影響下防腐層局部破損處極易形成腐蝕坑，微觀形貌中的氧化物就是這樣產(chǎn)生的，在交變應(yīng)力作用下腐蝕坑區(qū)域存在了應(yīng)力集中位置從而形微初裂紋，形成裂紋源，環(huán)境因素和應(yīng)力因素同時作用于腐蝕坑中的裂紋源，使得裂紋擴展，形成腐蝕疲勞裂紋，直至斷裂。

（3）彈簧使用時間超過兩年，時間較長，宏觀清晰看見放射狀紋路，斷口附近無塑變，排出了因受力過大導(dǎo)致塑形變形斷裂的因素。同時電鏡掃描斷斷口結(jié)果顯示斷裂源來自腐蝕坑處，微觀形貌為解理斷裂。在基體上發(fā)現(xiàn)大量微裂紋，斷口整體偏脆，硬度偏高，斷口特征與腐蝕疲勞裂紋相符。證明該彈簧斷裂為腐蝕疲勞裂紋開裂。

6 結(jié)論與建議

由上述分析可以得知，該彈簧在加工制造后的噴丸處理過程中，高速彈丸沒有均勻地射在彈簧表明，在彈簧并圈部位未達到強化效果，該部位涂蓋的防銹層在交變作用下破損后受腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力作用下形成裂紋源，長期作用下裂紋擴散使得彈簧斷裂。

為了防止安全閥彈簧的斷裂，保證安全閥的正常使用，對彈簧的加工、制造、處理及使用等方面需要引起重視。

（1）設(shè)計與制造環(huán)節(jié)應(yīng)考慮噴丸處理對并圈處的實際作用效果，盡可能的采用細小微粒對間隙處的部位多處理幾次，由于彈簧工作中表面承受交變應(yīng)力，因此在成型后進行嚴格的檢查，同時做立定處理，方法為將彈簧壓縮到工作極限高度或者并緊高度，然后釋放彈簧，來回三到五次，可以穩(wěn)定彈簧的尺寸，釋放不集中的應(yīng)力，認真觀察彈簧表面，對有裂紋，夾雜折疊，脫碳情況應(yīng)做不合格處理。

（2）彈簧斷裂部位在第二圈與第三圈之間，因此彈簧端面的磨削工作需要重視，既要保證足夠的磨削量滿足彈簧的高度，也要保證磨削精度及彈簧端面的螺旋角，貼緊長度應(yīng)均勻一致，螺旋角也在卷簧時加以控制，磨削后兩端面的毛刺應(yīng)修磨干凈，用專用樣板尺檢查螺旋角，防止彈簧受力不均勻。

（3）熱處理過程中應(yīng)注意回火溫度不用過高，防止產(chǎn)生馬氏體，在保證淬透性的前提下盡量減少冷卻速度，避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并對加工成型的彈簧進行硬度檢測，對硬度偏高的部位重點處理，同時也要注意消除應(yīng)力集中情況。

（4）彈簧表面的化學(xué)層保護方法有很多，常用的是氧化處理和磷化處理，不管哪種方法，都要注意在處理前將彈簧表面的銹蝕、油污、殘渣等雜質(zhì)徹底清除干凈，在溶液中的浸泡時間要充足，溶液的濃度和溫度等因素影響保護膜的致密程度和厚度，因此也需要嚴格執(zhí)行工藝要求。