氣動(dòng)執(zhí)行器灰鑄鐵支架斷裂失效分析

（艾默生過程管理 （天津）閥門有限公司，天津 301700）

某煉化廠在一次維護(hù)保養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)，安裝在一處管路上的調(diào)節(jié)閥組件的氣動(dòng)執(zhí)行器支架發(fā)生了斷裂。斷裂發(fā)生在支架與閥門連接端面 （圖1），而支架與執(zhí)行器連接端面完好。該執(zhí)行器為艾默生Fisher某型膜片式旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，水平安裝，支架材料為灰鑄鐵。該調(diào)節(jié)閥組件氣動(dòng)執(zhí)行器投入使用22個(gè)月左右，現(xiàn)場振動(dòng)和噪聲均較大，水錘現(xiàn)象明顯。筆者采用多種方法對斷裂支架進(jìn)行失效分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施。

圖1 氣動(dòng)執(zhí)行器斷裂支架

1 斷裂支架測試及分析

1.1 斷口形貌檢查

該氣動(dòng)執(zhí)行器支架斷裂為3個(gè)部分，其中支架主體和較大的1塊碎片被回收，較小碎片丟失。支架斷裂面位置A和位置B形貌見圖2。

圖2 支架斷裂面斷口形貌

位置A和位置B的斷裂面均被紅銹所覆蓋，斷口處未見漆膜痕跡，證明斷裂不是發(fā)生在噴漆工序之前。對斷口進(jìn)行適當(dāng)清洗［1］，清洗后的斷裂面呈暗灰色，存有少量白亮點(diǎn)，斷口較為平坦，沒有明顯的宏觀塑性變形，不存在韌性斷裂的3個(gè)特征區(qū)域（即纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇）。說明該支架斷裂屬于脆性斷裂，符合灰鑄鐵材料的一般斷裂形式［2-3］。

對清洗后的斷口在掃描電鏡（SEM）下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)除仍覆蓋有少量未清洗掉的氧化物外，2處斷裂面均未見明顯的鑄造缺陷。清洗后支架斷口的典型SEM照片見圖3。圖3中亮白區(qū)域?yàn)檠趸飳?，暗灰色區(qū)域?yàn)槠瑺钍M織［4］。

圖3 清洗后支架斷口SEM顯微形貌（100×）

1.2 材料強(qiáng)度測試

根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)要求，支架材料需滿足ASTM A48/A48M—2016《Standard Specification for Gray Iron Castings》［5］中 30A 等級灰鑄鐵的性能要求。ASTM A48/A48M—2016主要通過抗拉強(qiáng)度指標(biāo)對灰鑄鐵進(jìn)行分級，其中30A等級灰鑄鐵的最小抗拉強(qiáng)度為206.84 MPa（30 ksi）。

按照ASTM A48/A48M—2016的要求，同一爐號(hào)分開鑄造的拉伸試棒用于測試支架材料的抗拉強(qiáng)度。按照ASTM A48/A48M—2016 FIG.1中A類試棒的尺寸要求加工鑄造拉伸試棒，參照ASTM E8/E8M—2016 《Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials》［6］對試棒進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試。經(jīng)測試，支架材料的抗拉強(qiáng)度為 232 MPa （33.65 ksi）， 高于 ASTM A48/A48M—2016對30A級灰鑄鐵的最小強(qiáng)度要求。

1.3 顯微組織分析

選取接近斷口位置的支架材料制備金相組織分析試樣，并按照 ASTM A247—2019《Standard Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings》［7］觀察灰鑄鐵材料中石墨的形狀和長度，得到的試樣顯微組織見圖4。

圖4 斷裂支架灰鑄鐵中石墨形貌（100×）

斷裂支架材料中的石墨為呈A型分布的片狀（TypeⅦ）石墨。從尺寸分布看，為75%的3級長度石墨和25%的4級長度石墨。ASTM A247—2019中定義的片狀石墨（TypeⅦ）以及3級和4級長度石墨的形貌見圖5。

圖5 ASTM A247—2019中定義的石墨形貌（100×）

ASTM A48/A48M—2016中并沒有對灰鑄鐵中石墨形態(tài)及其尺寸分布提出要求，但實(shí)際應(yīng)用中，大多傾向于選擇具有A型分布片狀石墨結(jié)構(gòu)的灰鑄鐵。同時(shí)，較短的石墨長度有助于灰鑄鐵獲得較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量［8］。

從分析結(jié)果可以看出，該支架灰鑄鐵材料中石墨形態(tài)和尺寸分布是適宜的，斷裂失效與材料性能和顯微組織結(jié)構(gòu)無直接關(guān)系。

2 支架裂紋起源及斷裂分析

進(jìn)一步觀察支架斷裂位置，發(fā)現(xiàn)在A處主裂紋（即斷裂面）中段存在一條次生裂紋。該次生裂紋下寬上窄，由下往上裂紋深度變淺。次生裂紋在支架上所處位置如圖6中圓圈所示。通常情況下，零件斷裂過程中裂源區(qū)的裂紋較寬、較深，裂紋分叉的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向，擴(kuò)展的反方向指向裂紋源位置［9］。由此判斷，主裂紋（圖6中白色實(shí)線）的擴(kuò)展沿虛線箭頭所指方向進(jìn)行，裂紋源可能位于發(fā)生斷裂的螺栓安裝孔處。

圖6 次生裂紋發(fā)生位置及主裂紋可能擴(kuò)展方向

對A、B斷裂位置的螺栓安裝孔進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)2處安裝孔的內(nèi)壁均有較深的刻痕，刻痕出現(xiàn)在安裝孔內(nèi)壁靠近主裂紋（即斷裂面）一側(cè)，且呈現(xiàn)不規(guī)整的內(nèi)螺紋形狀（圖7），顯示該位置經(jīng)過螺栓的反復(fù)磕碰，造成了嚴(yán)重的機(jī)械損傷。

圖7 支架斷裂位置螺栓安裝孔內(nèi)壁損傷情況

螺栓安裝孔內(nèi)壁的損傷現(xiàn)象僅出現(xiàn)在發(fā)生斷裂的支架端面，即支架與閥體連接一側(cè)。在支架與執(zhí)行器連接一側(cè)端面的螺栓安裝孔內(nèi)壁均完好，并未發(fā)現(xiàn)此種損傷。

正常情況下，支架與閥體或執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)緊固安裝后，螺栓不會(huì)與安裝孔接觸。從該機(jī)械損傷形貌和位置判斷，支架與閥體的連接發(fā)生了松動(dòng)，支架位移使得螺栓和安裝孔內(nèi)壁發(fā)生接觸。管路系統(tǒng)的高頻強(qiáng)烈振動(dòng)和質(zhì)量達(dá)113 kg的水平安裝執(zhí)行器的側(cè)向載荷使得螺栓和安裝孔內(nèi)壁一側(cè)受到反復(fù)摩擦磕碰，造成了相應(yīng)位置的機(jī)械損傷。

鑄鐵材料的抗疲勞失效性能總體上是由石墨形態(tài)、基體顯微組織結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度、樣品尺寸、零件表面狀態(tài)、表面腐蝕衰減程度以及所受應(yīng)力類型所決定［10］。螺栓孔內(nèi)表面的機(jī)械損傷和作用于其上的張應(yīng)力，降低了支架材料抵抗疲勞失效的能力。工件的局部表面缺陷，如劃傷、損傷、毛刺和其他加工缺陷，是最容易出現(xiàn)疲勞裂紋的區(qū)域［11］。導(dǎo)致該氣動(dòng)執(zhí)行器灰鑄鐵支架斷裂的裂紋正是起源于安裝孔內(nèi)壁的機(jī)械損傷區(qū)域，裂紋在交變載荷和靜載荷的共同作用下，以疲勞斷裂的破壞形式擴(kuò)展，并最終使得支架斷裂失效。需要注意的是，不同于一般金屬材料的疲勞失效，灰鑄鐵材料在發(fā)生疲勞斷裂時(shí)并不呈現(xiàn)疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)等典型的疲勞斷口特征［8,12-15］，這與該支架斷口形貌檢查結(jié)果一致。

3 支架斷裂預(yù)防措施

用戶、維護(hù)保養(yǎng)或檢修單位每一次拆解閥門組件后，務(wù)必要確保所有連接結(jié)構(gòu)的緊固安裝，防止發(fā)生安裝錯(cuò)誤。

如果現(xiàn)場安裝空間允許，可將執(zhí)行器由水平安裝改為產(chǎn)品安裝手冊所推薦的豎直安裝，這樣有助于減小因水平安裝的執(zhí)行器自重所產(chǎn)生的側(cè)向載荷。如果安裝空間受限，執(zhí)行器安裝方向無法調(diào)整，可通過設(shè)置執(zhí)行器支架或吊裝機(jī)構(gòu)、選用疲勞強(qiáng)度更高的支架材料［16］（如碳鋼或者18-8不銹鋼）等方法，預(yù)防此類斷裂失效故障的發(fā)生。

4 結(jié)語

文中對氣動(dòng)執(zhí)行器灰鑄鐵支架的斷裂失效原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為支架與閥體的安裝不夠緊固是造成螺栓安裝孔內(nèi)壁發(fā)生破壞、形成裂紋源的直接原因。管路系統(tǒng)振動(dòng)引起的交變載荷與執(zhí)行器自重帶來的靜載荷共同作用，導(dǎo)致了該執(zhí)行器支架發(fā)生疲勞斷裂。提出了預(yù)防此類斷裂失效故障發(fā)生的措施，以期對同類事故提供借鑒。