注水泵出口閥片彈簧失效分析

趙淼，遠(yuǎn)繼福，趙省杰(中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116031)

0 引言

渣油加氫裝置高壓注水泵為意大利佩羅尼生產(chǎn)臥式三柱塞高壓泵，型號為PTO190(φ130×205)，設(shè)計(jì)流量56.4m3/h，曲軸轉(zhuǎn)速121RPM，介質(zhì)凈化水。使用過程中出口閥片彈簧服役壽命不理想，維修頻繁，由于進(jìn)口配件供貨周期長、價(jià)格昂貴，裝置于2017年對其進(jìn)行配件國產(chǎn)化，由于國產(chǎn)彈簧制造工藝不理想，導(dǎo)致彈簧壽命遠(yuǎn)低于進(jìn)口彈簧；裝置在要求供貨廠家改進(jìn)制造工藝的同時(shí)將彈簧材質(zhì)由316Ti升級為17-7PH，至2020年末，國產(chǎn)彈簧服役壽命已超過進(jìn)口彈簧。本文將對彈簧配件國產(chǎn)化期間發(fā)生的典型斷裂失效問題做簡單分析。

1 注水泵簡介

1.1 壓縮腔

注水泵為意大利佩羅尼生產(chǎn)臥式三柱塞高壓泵，型號為PTO190(φ130×205)，設(shè)計(jì)流量56.4m3/h，曲軸轉(zhuǎn)速121RPM，介質(zhì)凈化水，入口壓力：0.3MPa，出口壓力17MPa。如圖1所示，柱塞向右側(cè)運(yùn)動，入口閥片打開，介質(zhì)從閥座通路被吸入，柱塞向左側(cè)運(yùn)動，入口閥片關(guān)閉，介質(zhì)被壓縮；當(dāng)閥座腔內(nèi)壓力大于排出管路壓力，出口閥片被壓開，介質(zhì)由排出閥閥體通路排出；當(dāng)柱塞再次向右運(yùn)動，出口閥片在彈簧的作用下關(guān)閉，進(jìn)入下一壓縮循環(huán)。

圖1 注水泵壓縮腔裝配圖

1.2 出口閥片彈簧

原廠彈簧為等節(jié)距螺旋圓柱壓縮彈簧，兩端圈壓緊磨平，彈簧高度58mm，外圈直徑75mm，彈簧絲直徑6mm，材質(zhì)316Ti；按受沖擊次數(shù)分類為Ⅰ類彈簧，有效圈數(shù)2，支撐圈數(shù)2，符合彈簧設(shè)計(jì)要求[1]，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原廠出口閥片彈簧

圖3 斷口位置

2 彈簧失效分析

2.1 原廠進(jìn)口316Ti材質(zhì)彈簧

2.1.1 斷口分析

取三件斷裂樣品，發(fā)現(xiàn)斷口宏觀形態(tài)基本一致：斷口位置處于彈簧支撐圈與有效圈交界位置(如圖3所示)，整體呈現(xiàn)疲勞斷口特征。疲勞源位于A處，分別為彈簧內(nèi)圈以及彈簧有效圈與支撐圈接觸位置，斷口在此處呈現(xiàn)貝紋花樣及放射狀條紋；隨后向彈簧外圈發(fā)展至B區(qū)過渡區(qū)，最后至C區(qū)快速斷裂區(qū)(如圖4所示)。

圖4 原廠彈簧斷口宏觀形貌

2.1.2 疲勞原因分析

首先分析A2區(qū)域。此區(qū)域?yàn)閺椈捎行εc支撐圈接觸位置，在彈簧壓縮過程中，上下表面將頻繁接觸產(chǎn)生微動疲勞，導(dǎo)致彈簧表面受損(如圖5所示)，進(jìn)而在此處萌生裂紋源[2,4]。

圖5 彈簧A2處受損外表面

對于A1區(qū)域，此區(qū)域位于彈簧內(nèi)側(cè)外表面，不與其他彈簧絲表面接觸，懷疑為自身應(yīng)力較集中區(qū)域?qū)е碌钠诹鸭y。我們采用有限元分析方法探究此彈簧短壽命位置點(diǎn)以及應(yīng)力集中區(qū)域，為保證準(zhǔn)確模擬彈簧結(jié)構(gòu)，建模采用3D掃描形式，100%還原彈簧結(jié)構(gòu)。模擬采用SolidWorks Simulation進(jìn)行，對彈簧進(jìn)行一端固定支撐，一端200N垂直力，7.0e+10次沖擊。模擬顯示短壽命周期位置與實(shí)際斷裂位置相同(如圖6所示，綠色區(qū)域?yàn)槎虊勖鼌^(qū)域)，且彈簧絲應(yīng)力集中于內(nèi)側(cè)表面(如圖7所示，橙色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域)。對彈簧截面進(jìn)行受力分析，同樣顯示其危險(xiǎn)點(diǎn)存在于彈簧內(nèi)表面[3]。

圖6 原廠彈簧壽命模擬

圖7 彈簧截面應(yīng)力分析

結(jié)合上述兩項(xiàng)分析，認(rèn)為原廠進(jìn)口彈簧斷裂原因主要為彈簧絲表面產(chǎn)生的微動疲勞以及自身結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生的疲勞引發(fā)裂紋，導(dǎo)致彈簧斷裂。由于3件樣品斷裂位置處于同一位置，使用壽命均為60天左右，認(rèn)為進(jìn)口彈簧為到壽自然損壞，若想提高其使用壽命需從自身結(jié)構(gòu)、材質(zhì)入手。

2.2 某國產(chǎn)316L材質(zhì)彈簧

此批次彈簧在使用中，壽命不足一周，使用中泵運(yùn)行工況無變化，我們認(rèn)為是彈簧制造、加工水平不合格導(dǎo)致的短壽命。

2.2.1 外觀分析

我們首先認(rèn)定其制造工藝存在缺陷。根據(jù)GBT 1239—2009《冷卷圓柱螺旋彈簧技術(shù)條件》5.8要求：彈簧表面不得有肉眼可見缺陷，檢查此批次彈簧表面，發(fā)現(xiàn)存在大量溝壑缺陷，如圖8所示，判斷缺陷應(yīng)當(dāng)為鋼絲拉拔工藝不合格導(dǎo)致。根據(jù)5.3.7要求：兩端面并緊磨平的支撐圈磨平部分不小于3/4圈，檢查彈簧支承圈表面平面度，大部分可以滿足技術(shù)條件要求，但個(gè)別產(chǎn)品樣本表面磨平情況極差(如圖9所示)，僅占圓周1/8，且有明顯的多次加工痕跡，并非一次加工磨平。輕微按壓彈簧，彈簧底部隨即翹起，導(dǎo)致整個(gè)彈簧受力不均失穩(wěn)，這種極差的接觸情況將會導(dǎo)致彈簧在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生額外的彎曲載荷，使彈簧壽命大大縮短[4]。

圖8 某國產(chǎn)彈簧表面缺陷

圖9 某國產(chǎn)彈簧表面磨平情況

圖10 某國產(chǎn)彈簧外觀結(jié)構(gòu)

2.2.2 結(jié)構(gòu)分析

如圖10所示，對比圖2原廠彈簧結(jié)構(gòu)，此批次國產(chǎn)彈簧對外觀結(jié)構(gòu)做出了明顯調(diào)整，支撐圈數(shù)、有效圈數(shù)、節(jié)距三項(xiàng)重要指標(biāo)均發(fā)生變化。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)變化引起的壽命改變，對此彈簧進(jìn)行3D掃描建模，用SolidWorks Simulation以同樣的工況進(jìn)行壽命評估。在對圖解進(jìn)行調(diào)整后，模擬結(jié)果顯示，進(jìn)口彈簧短壽命區(qū)域中間值為5.36e+5(如圖11所示)，如圖12所示，某國產(chǎn)彈簧短壽命區(qū)域中間值為1.6e+5(模擬工況與運(yùn)轉(zhuǎn)工況存在偏差，模擬結(jié)果僅供對比預(yù)期壽命)。在不考慮制造工藝的情況下，某國產(chǎn)彈簧的外觀結(jié)構(gòu)變化將會使彈簧使用壽命下降3倍。

圖11 原產(chǎn)彈簧壽命模擬

2.2.3 材質(zhì)分析

彈簧要求材質(zhì)為316L，為常見奧氏體不銹鋼。制造優(yōu)良的奧氏體不銹鋼應(yīng)當(dāng)沒有磁性，但考慮彈簧加工中的拉拔、卷制、熱處理等工藝步驟，將會使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化，生成馬氏體組織，導(dǎo)致彈簧呈現(xiàn)輕微磁性[5]。以磁鐵試探進(jìn)口彈簧，發(fā)現(xiàn)其存在輕微磁性；試探某國產(chǎn)彈簧，發(fā)現(xiàn)其存在較強(qiáng)磁性，說明其組織分布存在較多馬氏體，可能對彈簧絲力學(xué)性能產(chǎn)生影響。有研究顯示：奧氏體不銹鋼的超長疲勞壽命行為，發(fā)現(xiàn)馬氏體含量在27%以下時(shí)，可以增強(qiáng)材料的超長壽命疲勞強(qiáng)度，并且其S-N曲線在超高周范圍內(nèi)出現(xiàn)水平平臺，存在疲勞極限；但含量高于27%之后，材料會出現(xiàn)明顯脆化現(xiàn)象[6]。由于條件所限，筆者無條件對此項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

綜上三項(xiàng)分析，此批次國產(chǎn)彈簧為多方面制造不合格導(dǎo)致的過早斷裂。

圖12 某國產(chǎn)彈簧壽命模擬

2.3 國產(chǎn)17-7PH材質(zhì)彈簧

為進(jìn)一步提高彈簧壽命，車間將彈簧材質(zhì)升級為17-7PH材質(zhì)。對比316Ti材質(zhì)，可將許用切應(yīng)力、許用彎曲應(yīng)力由324MPa、533MPa提高至478MPa、785MPa[6]，理論上可以大幅度提高彈簧使用壽命，在實(shí)際使用中最長55天未發(fā)生故障，強(qiáng)制更換檢查彈簧外觀依舊良好，基本接近原廠彈簧壽命。但在使用中出現(xiàn)過短壽命不足1周的情況，下文對此特殊情況進(jìn)行簡要分析。

2.3.1 斷口分析

由圖13、14觀察，斷口基本呈現(xiàn)脆性斷裂特征，光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)節(jié)，存在疲勞斷裂特征，裂紋源位于底部，自下而上發(fā)展，至上部粗糙部分為快斷區(qū)。此批次彈簧外觀結(jié)構(gòu)與原廠彈簧基本相同，切斷裂位置亦與原廠彈簧相同，認(rèn)為是疲勞斷裂，但斷口呈現(xiàn)出的脆性斷裂特征不符合韌性材料疲勞斷裂特征。

圖13 17-7PH彈簧斷口宏觀

圖14 17-7PH彈簧斷口光學(xué)微觀

2.3.2 材料分析

17-7PH為奧氏體-馬氏體半沉淀硬化不銹鋼，由18-8系奧氏體不銹鋼添加適量鋁元素發(fā)展而來，由于其具有更好的強(qiáng)度、硬度、抗疲勞耐腐蝕等特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的不銹鋼彈簧絲材質(zhì)。但查詢資料表明，此材質(zhì)從發(fā)明到作為彈簧鋼成熟使用經(jīng)歷了20余年的研發(fā)過程，其主要難點(diǎn)在于，固溶處理過程中相變要求苛刻，需嚴(yán)格控制相變；鋼絲拉拔生產(chǎn)過程中，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)存在較多馬氏體，使彈簧絲應(yīng)力裂紋傾向較大，對制造工藝要求嚴(yán)格[7]。

另外，此材質(zhì)在冶煉過程中對于鋁元素的含量要求極為敏感。標(biāo)準(zhǔn)要求鋁含量為0.5wt%～1.5wt%，有研究顯示：當(dāng)鋁含量進(jìn)一步提高至2.0wt%，材質(zhì)的屈服強(qiáng)度略有降低，抗拉強(qiáng)度有所提高；而當(dāng)鋁含量持續(xù)增加至大于2.5wt%，材質(zhì)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度將突然下降，分別由1037MPa、1351MPa下降至599MPa、692MPa，材料由韌性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧蟍8]。除了嚴(yán)格控制冶煉過程中加入的鋁元素比例，若冷卻過程中出現(xiàn)元素偏析，同樣會造成鋁元素聚集，導(dǎo)致材料出現(xiàn)性能缺陷。因條件所限，筆者未能對此處斷口做電鏡掃描分析以及元素分布分析，不能拿到直接有力證據(jù)。

綜上，我們認(rèn)為此次偶發(fā)短壽命為彈簧絲生產(chǎn)過程中工藝缺陷導(dǎo)致。

3 結(jié)語

出口閥片彈簧作為往復(fù)泵重要組件看似結(jié)構(gòu)簡單，但影響其壽命的因素眾多，應(yīng)當(dāng)在制造、驗(yàn)收環(huán)節(jié)加以管控：

(1)彈簧應(yīng)力集中于鋼絲表面，且內(nèi)圈表面應(yīng)力大于外圈表面。在對彈簧制造中，應(yīng)要求廠家做噴丸處理，以提高其許用切應(yīng)力；

(2)在產(chǎn)品驗(yàn)收過程中，需首要檢查其外表面做工，國標(biāo)中明確要求不得存在肉眼可見缺陷；對于17-7PH一類帶磁性材料，推薦做磁粉檢測，以精確檢查其外表面及淺表面是否存在缺陷；

(3)要求廠家不得隨意對彈簧外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更；

(4)要求廠家選用優(yōu)質(zhì)鋼絲供應(yīng)商。