某电厂中压调节阀油动机活塞杆断裂失效分析

发布时间:2011-02-28  点击数:2970
    国内某电厂中压调节阀在运行过程中因活塞杆断裂而发生故障。据悉:该活塞杆材料为40Cr钢,其尺寸为Ø40mm×500mm。调质工艺:850~860℃淬火(油淬)+550~560℃回火。为此,笔者对断裂件进行了失效分析。
一、理化检验
    1、宏观检验
    断裂发生在活塞杆上螺纹与螺帽的配合处,断裂形貌如图1所示。断面与阀杆接近垂直,断面上覆盖着一层黄铜,经了解是拆卸活塞杆时用铜棒敲击所致,断口表面已严重损坏和污染。断面及断口附近没有宏观塑性变形迹象,裂纹起源于螺纹的根部,裂纹源侧面有挤压的痕迹。从裂纹源处断面的颜色及边缘的形态来看,挤压不是活塞杆拆卸过程中形成的。疲劳扩展区断面较平滑,占整个断面的三分之二,大部分被黄铜覆盖,看不到疲劳断裂特有的条纹。从裂纹源及疲劳裂纹扩展区的形貌推断,活塞杆的断裂是应力集中效应引起的疲劳断裂。
    2、微观检验
    图2a和图2b是活塞杆断口裂纹源区和扩展区的扫描电镜图。裂纹源区为辐射状放射花样,因断口被严重磨损,疲劳辉纹已模糊不清。


     3、化学成分
     在活塞杆上取样进行化学成分分析,其分析的结果(质量分数)见表1。与B/HJ408-2004标准中规定的40Cr钢的化学成分相符。


    4、硬度测试
    在活塞杆上取样测试其洛氏硬度,测试结果见表2。活塞杆的洛氏硬度从近表面到心部呈逐渐下降的趋势,且测试结果均低于活塞杆的技术要求。技术要求调质后硬度为28~32HRC,由此推断活塞杆的屈服强度等级应为690MPa,而根据实际洛氏硬度的测试值推测活塞杆的实际屈服强度等级为590MPa,强度下降会导致活塞杆抗疲劳性能降低。


    5、金相分析
    在活塞杆上取样进行金相分析,低倍组织检验执行的标准是GB/T10561-2005,在活塞杆的金相样品中未发现超标夹杂物。活塞杆近表面至心部的显微组织见图3a~c。活塞杆的显微组织自表面至心部为:回火索氏体→回火索氏体+少量屈氏体→贝氏体+屈氏体+沿晶界呈网状或半网状析出的铁素体。且由表及里,铁素体和屈氏体的量逐渐增多,晶粒逐渐粗大。

二、分析与讨论
    活塞杆采用40Cr钢材料,按要求进行了调质处理。但从其显微组织来看,在其半圆处和心部出现铁素体和屈氏体组织,并呈逐渐增多趋势,降低了活塞杆的力学性能。而从其硬度测试结果来看,活塞杆的洛氏硬度及屈服强度等级低于设计要求,显微组织为淬火冷却不足的组织,这是由于活塞杆淬火冷却速度慢,心部未淬透,调质后未形成均匀的回火索氏体,导致活塞杆的抗疲劳性能下降。活塞杆在运行应力作用下,首先在螺纹根部形成裂纹源,由于其力学性能偏低而导致抗疲劳性能降低,进而发生裂纹的不断扩展,最终导致因疲劳而断裂。
三、结论与建议
    1、建议活塞杆在加工螺纹时应避免尖角过大,以减小应力集中效应。在调质处理时应注意控制活塞杆的淬火冷却速度,确保形成均匀的回火索氏体组织,并通过理化检验保证活塞杆的热加工质量。
    2、活塞杆的断裂是由应力集中效应引起的疲劳断裂。