主蒸汽管道阻尼器拉桿斷裂原因分析

李邱達 文 杰 邊春華 劉洪群

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

0 引言

某電廠的主蒸汽管道阻尼器拉桿為雙頭螺紋結(jié)構(gòu)，拉桿材料為Q235-A，在僅使用一年的時間部分拉桿發(fā)生了斷裂，本文選取已斷裂的1根雙頭螺紋拉桿進行材料成分、金相及斷口分析，以確定材料是否異常和斷裂機理。

1 試驗方法

取斷裂拉桿一端，先手動割取斷口側(cè)，后進行線切割分別截取成分試樣、金相試樣進行分析。

1.1 成分檢測

用鉆頭鉆取金屬屑約3g，檢測所用的儀器為CS-902G型高頻紅外碳硫分析儀、OPTIMA 2100DV型全譜直讀等離子體光譜儀。

1.2 金相檢測

取金相試樣，經(jīng)鑲樣、磨拋后，采用硝酸酒精進行侵蝕后，置于蔡司AXIOVERT 200 MAT研究級倒置萬能材料顯微鏡下，分別觀察斷裂拉桿橫截面和縱截面金相組織。另取拉桿縱截面，經(jīng)鑲樣、磨拋后，置于顯微鏡下，測定材料夾雜物及其級別。

1.3 斷口檢驗

取斷口分析試樣，采用酒精+超聲波清洗后，置于蔡司的EVO18型掃描電子顯微鏡（SEM）下，觀察斷裂拉桿斷口形貌，以確定其斷裂機理。

2 結(jié)果及討論

2.1 成分分析

成分檢測結(jié)果如表1所示。拉桿材料為Q235-A。通過與標準GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中Q235-A化學成分規(guī)定值比對可知，拉桿材料成分符合標準要求。

表1 斷裂拉桿成分檢測結(jié)果

2.2 金相分析

分別取斷裂拉桿橫截面和縱截面金相試樣進行顯微組織分析，其檢測結(jié)果如圖1示。斷裂拉桿金相顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度較小，橫向組織呈均勻分布，縱向組織沿加工方向呈帶狀分層分布。根據(jù)標準GB/T 700及經(jīng)驗判斷，失效拉桿金相顯微組織可能為熱軋狀態(tài)的常見組織，其縱向帶狀組織沿熱軋方向分布。

圖1 拉桿金相顯微組織

另取斷裂拉桿縱截面進行夾雜物測定，其結(jié)果如圖2所示，夾雜物為D0.5e，即球狀氧化物0.5級粗系，斷裂拉桿材料夾雜物級別低。

圖2 拉桿夾雜物

2.3 斷口分析

斷裂拉桿其長約60cm，直徑為36mm。斷口位于雙頭螺紋拉桿下部螺紋第二圈螺紋牙底（由上至下數(shù)），如圖3（a）所示。斷裂拉桿的螺紋部分的斷口平齊，其表面有銹蝕痕跡（該銹跡應為斷裂后斷口保存不當所致）。斷口可分明顯為三個區(qū)域：一、起裂區(qū)，斷面平整，有磨損的痕跡；二、擴展區(qū)，斷口呈淺灰色，斷口面較平坦，呈碎瓷狀；三、瞬斷區(qū)，有明顯的塑性撕裂特征。整個斷口除瞬斷區(qū)外，未見明顯宏觀塑性變形。

圖3 拉桿斷裂宏觀形貌

將斷口置于掃描電鏡下進行斷口分析，其結(jié)果如圖4～圖6所示。從圖中可以看出，斷口起裂區(qū)有較大磨損；斷口擴展區(qū)為典型的解理斷口，具有河流花樣；斷口瞬斷區(qū)有明顯塑性韌窩，拉桿斷口為典型的脆性斷口。

圖4 起裂區(qū)

圖6 瞬斷區(qū)

2.4 綜合分析

斷裂拉桿的成分無異常，縱向組織呈帶狀分布，這里的帶狀組織指鐵素體和珠光體呈帶狀排列。由于顯微組織的分層排列，因而會造成材料力學性能的方向性，沿著帶狀縱向的方向韌性好、抗拉強度高，不過橫向的性能會比較差，導致強度低、韌性差；可以通過適當?shù)臒崽幚砑右韵蚋纳七@種帶狀組織[1]。

宏觀斷口分析，斷口無明顯宏觀塑性變形相貌特征。微觀斷口具有脆性斷口典型特征：表面經(jīng)常呈晶體學平面或者晶粒的外形，斷口呈碎瓷狀；斷口匹配面吻合好，斷面粗糙，解理、準解理特征，解理特征[2]。

通過考察主蒸汽管道的運行環(huán)境，管道振動過大，結(jié)合材料的縱向組織帶狀分布明顯，導致材料韌性較差，在振動過載的情況下，發(fā)生了脆性 斷裂。

3 結(jié)語

阻尼器拉桿成分無異常，其斷裂原因為，振動過大，材料組織性能不佳的情況下，發(fā)生了過載脆性斷裂。建議對主蒸汽管道振動以及阻尼器的受力狀態(tài)進行分析評估。