高爐下密封閥油缸拉桿失效分析與改進(jìn)

徐博明

（青島特殊鋼鐵有限公司裝備部，山東青島 266400）

0 引言

高爐密封閥用來對料罐進(jìn)行煤氣密封，上、下密封閥分別安裝在料罐的上、下兩端，通過上、下密封閥的交替啟閉，保證高爐爐頂壓力穩(wěn)定，上、下密封閥均為液壓缸驅(qū)動[1]。公司下密封閥驅(qū)動液壓缸為空心液壓缸，通過空心液壓缸驅(qū)動拉桿，帶動閥門啟閉。在正常使用情況下出現(xiàn)拉桿斷裂現(xiàn)象，高爐被迫休風(fēng)，為保證高爐穩(wěn)定運(yùn)行，分析拉桿的失效原因具有重要意義。

1 理化分析

1.1 拉桿外觀形貌分析

拉桿已經(jīng)斷裂成兩部分，斷裂位置為焊縫區(qū)，如圖1 所示。

圖1 拉桿斷裂接縫外觀

（1）斷口宏觀分析。拉桿的宏觀形貌見圖2，其斷裂表面起伏明顯，斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口附近沒有徑縮現(xiàn)象，斷口與正應(yīng)力垂直，斷口表面較平齊，邊緣沒有剪切唇。斷口顏色較灰暗，呈規(guī)程的粗糙表面，表明斷口是晶界脆性斷口，可能是回火脆性斷裂、氫脆、應(yīng)力腐蝕、淬裂，判斷為熱處理不當(dāng)所致[2]。

（2）結(jié)構(gòu)分析。因該拉桿為非標(biāo)設(shè)計(jì)，涉及商業(yè)保護(hù)，現(xiàn)場采用測繪方式，還原接頭結(jié)構(gòu)。沿軸向進(jìn)行剖分，結(jié)合斷面結(jié)構(gòu)，對拉桿AB 兩部分的連接方式進(jìn)行還原，如圖3 所示。工件A 的孔深為11.5 mm，工件B 的臺高9 mm，從圖3 中可看出兩工件的配合為軸端定位。

圖2 斷裂面宏觀金相

根據(jù)GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》，A、B 兩工件接縫處應(yīng)留有鈍邊，鈍邊高度以3 mm 為宜，焊縫厚度應(yīng)為10 mm。實(shí)際還原后焊接接頭結(jié)構(gòu)無鈍邊，焊縫金屬厚度僅為6 mm，不符合焊接設(shè)計(jì)規(guī)范。

1.2 化學(xué)成分分析

利用帶鋸在拉桿斷裂界面進(jìn)行取樣，用平面磨床進(jìn)行磨光，采用ARL4460 光譜儀進(jìn)行檢測。拉桿本體的化學(xué)成分：C，0.453%；Si，0.21%；Mn，0.58%；P，0.018%；S，0.009%；Ni，0.005% ；Cr，0.015% ；Cu，0.007% ；Mo，0.002% ；Ti，0.0014% ；Al，0.0021%?？梢钥闯銎涓黜?xiàng)成分均滿足GB/T 699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45#鋼成分的要求。

斷口表面化學(xué)成分分析結(jié)果：C，0.24%；Si，0.22%；Mn，0.5%；P，0.018%；S，0.007%；Ni，0.008%；Cr，0.019%；Cu，0.011%；Ti，0.0058%；Al，0.001%。各項(xiàng)成分滿足國標(biāo)對25#鋼的要求。

圖3 A、B 工件焊接接頭示意

1.3 硬度分析

將磨拋的斷面和拉桿本體，采用HR-150D 型硬度計(jì)從拉桿外邊緣0.5 mm 處向心部進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。從表1可以看出，拉桿本體的硬度值基本沒有變化，硬度平均值為86.45 HRB，轉(zhuǎn)換為布氏硬度值為169 HB，根據(jù)GB/T 699—1999，硬度值小于197 HB 為退火鋼，說明拉桿本體為退火鋼。斷面處硬度值變化較大，切硬度較低，硬度平均值為72.03 HRB，轉(zhuǎn)換為布氏硬度平均值為116 HB，根據(jù)GB/T 699—1999，說明接頭焊后未進(jìn)行退火熱處理。

1.4 顯微組織分析

利用帶鋸機(jī)在斷口沿拉桿徑向取樣，拋光、腐蝕后，采用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，如圖4 所示。

根據(jù)拉桿和焊口處調(diào)質(zhì)熱處理?xiàng)l件，拉桿本體及焊口的顯微組織應(yīng)為回火索氏體，實(shí)際圖中顯示為網(wǎng)狀半網(wǎng)狀鐵素體和珠光體組織。因此判斷該拉桿沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理[3]，證實(shí)了1.3 中的分析。

表1 硬度檢測結(jié)果

圖4 拉桿斷口處顯微組織

1.5 斷口微觀形貌分析

考慮成像效果，選用B 側(cè)斷面進(jìn)行分析，用95%酒精超聲清洗后，用掃描電鏡進(jìn)行觀測，按照圖5 所示劃分為8 個(gè)區(qū)域。圖5中區(qū)域1 內(nèi)側(cè)母材上方（區(qū)域1 方框位置），顯微形貌如圖6 所示，掃描電鏡的打點(diǎn)分析結(jié)果如圖7 所示?？膳卸ǔ鲈撐恢糜忻黠@的焊接時(shí)留下的高Ca、Si、S 夾雜物，該現(xiàn)象是焊條電弧焊初始焊接位置的常見質(zhì)量缺陷[4]。結(jié)合1.2 的成分分析結(jié)果，說明兩個(gè)工件對接焊采用的是焊條電弧焊，選用的焊條為J422。

區(qū)域1、2 分別放大到34 倍、148 倍后的形貌如圖8 顯示，可以發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的方向是從內(nèi)圈向外圈裂開，圖中箭頭示意方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。

圖5 顯微區(qū)域劃分

圖6 區(qū)域1 斷面顯微形貌

圖7 區(qū)域1 掃描電鏡成分分析

區(qū)域1、2、3、7、8 斷面顯微形貌類似，均有沿晶和穿晶斷裂，且有明顯韌窩。以區(qū)域3 為例，放大到1950 倍和524 倍的斷面顯微形貌如圖9 所示，可判斷出這幾個(gè)區(qū)域的斷裂方式為韌性斷裂[5]。

圖8 區(qū)域1、2 斷面顯微形貌

圖9 區(qū)域3 斷面顯微形貌

區(qū)域4 放大646 倍、區(qū)域6 放大1090 倍的斷面顯微形貌如圖10、圖11 所示，區(qū)域5 的斷面顯微形貌如圖12 所示。從圖12中可見，區(qū)域4、5、6 斷面顯微形貌圖中氣孔夾雜物較多，其中區(qū)域5 較明顯，晶界清晰可見，破壞形式以沿晶斷裂為主，少量解理斷裂，表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂。

圖10 區(qū)域4 斷面顯微形貌

圖11 區(qū)域6 斷面顯微形貌

圖12 區(qū)域5 斷面顯微形貌

通過掃描電鏡形貌分析可看出，區(qū)域5 表現(xiàn)為脆性斷裂，區(qū)域4、6 脆性韌性斷裂共存，區(qū)域1、2、3、7、8 主要表現(xiàn)為韌性斷裂。根據(jù)機(jī)械零件的失效規(guī)律，同一工件存在脆性斷裂和韌性斷裂共存時(shí)一般先出現(xiàn)脆性斷裂后開始韌性斷裂[6]。根據(jù)分析結(jié)果，可以確定拉桿斷面的失效路徑分別延5→4→3→2→1、5→6→7→8→9 兩條路徑從內(nèi)環(huán)到外環(huán)方向撕裂。

區(qū)域5 位置存在較多的氣泡和雜質(zhì)，該現(xiàn)象是焊條電弧焊焊接質(zhì)量缺陷的常見現(xiàn)象。綜合分析，本次拉桿失效的主要原因是拉桿焊接質(zhì)量問題[4]。

2 分析與討論

從上述分析可知，拉桿的化學(xué)成分符合要求，兩件相焊的焊材選擇標(biāo)準(zhǔn)偏低；拉桿裝配在最薄弱的焊接接頭處定位，導(dǎo)致焊接接頭失效；拉桿焊接接頭斷面組織為網(wǎng)狀半網(wǎng)狀鐵素體和珠光體，與理論上焊后調(diào)制熱處理的金相組織回火索氏體不符，說明拉桿焊后未進(jìn)行熱處理；軸或桿的焊接一般采用手工鎢極氬弧焊，實(shí)際選用焊條電弧焊；焊縫裂開的主要原因是5 號區(qū)域焊接時(shí)引入了較多雜質(zhì)、氣孔，導(dǎo)致出現(xiàn)脆性斷裂，進(jìn)而擴(kuò)展到整個(gè)焊接接頭。綜合分析，導(dǎo)致本次拉桿失效的原因如下。

（1）焊接接口設(shè)計(jì)不符合焊接設(shè)計(jì)規(guī)范。

（2）焊接工藝不符合通常軸類工件焊接的工藝要求。

（3）焊后未進(jìn)行熱處理。

（4）存在明顯的焊接質(zhì)量問題。

其中，焊接質(zhì)量缺陷是本次拉桿失效的直接原因。

3 改進(jìn)措施

圖13 改造后的零件

通過下閥箱拉桿失效分析，從以下3 方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）按焊接規(guī)范重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，改變工件定位方式，選用凸臺進(jìn)行定位，凸臺的直徑減小，零件圖見圖13。

（2）接頭焊接采用手工鎢極氬弧焊，焊材選用ER70S 氬弧焊絲。

（3）焊接完成后，先后進(jìn)行退火和調(diào)制熱處理。

改造后的拉桿上線使用6 個(gè)月以來，未出現(xiàn)問題，使用情況良好。