某燃機(jī)余熱鍋爐給水泵泵軸開(kāi)裂原因

谷樹(shù)超,張祎俊,丁憲飛,李 俊,倪燚鋒,王駕鶴

(1.上海明華電力科技有限公司,上海 200090;2.上海長(zhǎng)興島熱電有限責(zé)任公司,上海 201913)

05Cr17Ni4Cu4Nb馬氏體不銹鋼是在Cr17型不銹鋼基礎(chǔ)上，加入Cu，Nb等合金元素研制出的一種新型普通馬氏體不銹鋼，其耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于常規(guī)馬氏體型不銹鋼，廣泛用于有耐弱酸、弱堿腐蝕和高強(qiáng)度要求的緊固件和傳動(dòng)裝置等零件[1]。05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的熱處理方式為固溶處理+時(shí)效處理，通過(guò)調(diào)整時(shí)效處理溫度、增加熱處理環(huán)節(jié)可以得到理想的顯微組織，從而提高材料的塑性、強(qiáng)度和韌性[2]。05Cr17Ni4Cu4Nb鋼合金部件發(fā)生開(kāi)裂或斷裂的主要形式有：緊固螺釘因預(yù)緊力產(chǎn)生的疲勞斷裂[3]、不銹鋼拉桿的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[4]、電廠設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)軸的多源疲勞斷裂[5]、電阻應(yīng)變式力傳感器的氫致延遲開(kāi)裂[6]、電作動(dòng)器殼體低溫環(huán)境下因時(shí)效溫度不當(dāng)產(chǎn)生的開(kāi)裂[7]以及重量模型前吊掛因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的疲勞斷裂[8]等。

某燃機(jī)余熱鍋爐給水泵泵軸在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂，泵軸已累計(jì)運(yùn)行約3 633 h，啟停次數(shù)約279次。泵軸材料為05Cr17Ni4Cu4Nb馬氏體不銹鋼。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、斷口分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試等方法，對(duì)泵軸開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

圖1 開(kāi)裂泵軸的宏觀形貌

開(kāi)裂泵軸的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：泵軸整體長(zhǎng)度約為3 m，泵軸表面未見(jiàn)明顯腐蝕跡象；泵軸主裂紋位于末級(jí)葉輪外端面處，裂紋位置軸徑約為110 mm，裂紋附近未見(jiàn)明顯塑性變形；裂紋較為筆直，沿軸徑環(huán)向擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度為沿軸體約2/3周長(zhǎng)。

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》，使用SPECTRO MAXx型全定量金屬元素分析儀對(duì)泵軸材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，泵軸的化學(xué)成分滿足GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的要求。

表1 泵軸的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

圖3 斷口的SEM形貌

1.3 斷口分析

1.3.1 宏觀分析

將開(kāi)裂泵軸沿裂紋分開(kāi)，斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：泵軸斷面整體較為平坦，呈黑灰色，斷面“6點(diǎn)鐘”部位的粗糙區(qū)域呈銀灰色，為人工斷口所致；斷面擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)由“12點(diǎn)鐘”方向起始的弧形海灘狀擴(kuò)展花樣，“12點(diǎn)鐘”方向斷面邊緣可見(jiàn)多個(gè)徑向分布的起始臺(tái)階，表明泵軸開(kāi)裂與應(yīng)力集中有關(guān)。

圖2 斷口的宏觀形貌

1.3.2 微觀分析

斷口經(jīng)清洗后，用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)：泵軸外表面約150 μm范圍內(nèi)，顏色與基體有明顯差別，說(shuō)明存在鍍層，厚度約為0.16 mm，鍍層在斷面起始區(qū)起伏較大，靠近邊緣處有多個(gè)起始臺(tái)階分布，并可見(jiàn)由表面起始、由上向下擴(kuò)展的弧形條紋，鍍層呈現(xiàn)沿晶脆性開(kāi)裂特征；近起始區(qū)基體外表面有一凹坑，凹坑內(nèi)物質(zhì)顏色與基體亦有明顯區(qū)別，未見(jiàn)明顯擠壓痕跡，此部位的鍍層可見(jiàn)有沿晶脆性開(kāi)裂特征，并有與斷口平行分布的二次裂紋，凹坑周邊可見(jiàn)有多條同源狀弧形分布的微裂紋，說(shuō)明此處有較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中；擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)在準(zhǔn)解理花樣上有與擴(kuò)展方向垂直分布的疲勞推進(jìn)條紋和二次裂紋，斷面終斷區(qū)較為粗糙，并呈現(xiàn)韌窩+解理形貌特征。綜上可知，泵軸發(fā)生了多源啟動(dòng)疲勞擴(kuò)展開(kāi)裂，而疲勞開(kāi)裂的誘發(fā)與外表面局部區(qū)域異常損傷有關(guān)。

由能譜分析結(jié)果可知，鍍層和凹坑內(nèi)主要含有鉻元素，說(shuō)明泵軸有鍍鉻層，且在實(shí)施鍍鉻工藝之前泵軸就已有凹坑。

1.4 金相檢驗(yàn)

按照DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》，在泵軸上取樣并進(jìn)行研磨、拋光，然后使用FeCl3鹽酸水溶液腐蝕，并用Axio Oberver.D1m型倒置萬(wàn)能材料顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：鍍層正常區(qū)域與基體結(jié)合良好，但局部區(qū)域可見(jiàn)明顯凹坑，凹坑深度約為0.44 mm(從鍍層外表面到凹坑底部)，這與斷面的SEM形貌特征一致；泵軸基體組織為板條馬氏體+δ鐵素體，其中δ鐵素體在橫截面大致呈島狀分布，在軸向截面呈條帶狀分布，局部區(qū)域含量約為50%。根據(jù)GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》，05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的正常組織為均勻馬氏體，允許存在較少的δ鐵素體，含量不超過(guò)5%，局部最嚴(yán)重區(qū)域不超過(guò)10%[9]。δ鐵素體為脆性相[10]，含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致材料脆性變大，易成為在服役、熱變形過(guò)程中的開(kāi)裂源。

圖4 泵軸的顯微組織形貌

1.5 力學(xué)性能和硬度測(cè)試

按照GB/T 231.1—2018 《金屬布氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》，利用布洛維臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)泵軸進(jìn)行硬度測(cè)試。按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)泵軸進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，使用SANS ZBC2302-B型沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)泵軸進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。所有力學(xué)性能和硬度測(cè)試均設(shè)計(jì)3組平行試樣。泵軸的力學(xué)性能和硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

GB/T 1220—2007對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼有4組推薦熱處理工藝，每組熱處理工藝及對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能要求如表2所示。對(duì)于沉淀硬化型鋼來(lái)說(shuō)，熱處理工藝未注明時(shí)，力學(xué)性能按第1組熱處理方式(480 ℃ 時(shí)效)要求執(zhí)行。根據(jù)《火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)》，05Cr17Ni4Cu4Nb鋼在不同熱處理工藝下的沖擊韌性如表2所示。由表2可知：泵軸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均不符合GB/T 1220—2007的要求，泵軸沖擊韌性低于所有給出熱處理工藝參數(shù)下的沖擊韌性。

表2 泵軸的力學(xué)性能和硬度測(cè)試結(jié)果

泵軸拉伸和沖擊斷口的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：拉伸斷口由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)組成，每個(gè)區(qū)域沿半徑擴(kuò)展方向大致均等，放射區(qū)斷口起伏較大，放射源也較為粗大，說(shuō)明撕裂時(shí)的塑性變形較大[11]；沖擊斷口較為平齊，纖維區(qū)和剪切唇區(qū)的相對(duì)面積較小，中間放射區(qū)韌窩寬而淺，為準(zhǔn)解理+韌窩脆性斷裂，說(shuō)明材料的沖擊韌性不高，這與以往相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道一致[12]。

圖5 泵軸拉伸和沖擊斷口的微觀形貌

2 綜合分析

由宏觀觀察結(jié)果可知，泵軸斷面及附近未見(jiàn)明顯的塑性變形，泵軸呈現(xiàn)脆性斷裂特征。由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，泵軸的化學(xué)成分無(wú)異常。由斷口分析結(jié)果可知，泵軸外表面有鍍鉻層，鍍層厚度約為0.16 mm，并且在實(shí)施鍍鉻工藝之前，泵軸外表面(近斷口起始端)就已有凹坑，凹坑深度約為0.44 mm。泵軸表面可見(jiàn)加工缺陷，結(jié)合斷口特征，確定泵軸發(fā)生了多源啟動(dòng)疲勞擴(kuò)展開(kāi)裂。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，泵軸組織中含有大量條帶狀分布的δ鐵素體，局部區(qū)域含量可達(dá)50%，超過(guò)了05Cr17Ni4Cu4Nb鋼中δ鐵素體含量允許的上限。δ鐵素體為富鉻的脆性相，自身硬度低于馬氏體基體硬度，鐵素體-馬氏體界面破壞了材料基體連續(xù)性，產(chǎn)生了較大的組織內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力，導(dǎo)致泵軸誘發(fā)微裂紋。δ鐵素體沿變形流線方向分布會(huì)使材料的沖擊韌性降低，且泵軸基體表面的加工缺陷處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致泵軸發(fā)生開(kāi)裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 泵軸開(kāi)裂的主要原因?yàn)椋罕幂S基體的顯微組織中含有大量高溫δ鐵素體，局部區(qū)域含量可達(dá)50%，使泵軸的沖擊韌性大幅度降低，泵軸表面缺陷進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中，促使了微裂紋的形成和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致泵軸發(fā)生開(kāi)裂。

(2) 泵軸應(yīng)加強(qiáng)材料入庫(kù)管理制度和金屬監(jiān)督管理工作，定期監(jiān)控關(guān)鍵承壓部件的使用狀態(tài)，做好隱患排查工作。