发动机石墨密封环断裂分析

2015-11-28高永丹林奇辉

失效分析与预防 2015年3期

李璇，吴涛，潘柳，高永丹，林奇辉

(中航工业南方航空工业(集团)有限公司，湖南株洲 412002)

0 引言

石墨密封环具有优良的耐高温性、自润滑性、低摩擦系数、耐磨损性、耐化学腐蚀性和良好的导热性、热膨胀系数小、对高低温交变性能的适应性以及材料的物理力学性能，在机械密封的关键部件有着广泛的应用。然而，石墨密封环的材质和特殊结构也常造成其磨损和断裂，易造成机械密封的失效。国内外相关制造企业和研究单位通过对材料性能的提高、加工工艺的改进等，让石墨密封环能更好地满足各个应用领域的需求。

本研究通过对发动机进行二次装配试车中断裂的石墨密封环进行外观检查、断口观察、物理性能检测、结构和尺寸计量等，对石墨密封环断裂、裂纹等产生的原因进行分析，以期探寻故障件的改进与预防措施。

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

发动机分解后发现燃烧室零件封严环组件失效。封严环组件中的石墨密封环碎裂，并从石墨密封环套中完全脱落，在甩油盘、篦齿封严环和鼓筒轴内腔表面布满了石墨粉末。石墨密封环断裂情况:对燃烧室零件进行分解检查，发现石墨密封环已完全碎裂，并已从石墨密封环套中完全脱离。现场收集了30 多段碎块和大量粉末，有呈条状石墨碎片，也有呈粉末状石墨，大碎块长13～16 mm，小碎块2～8 mm。断裂的石墨密封环还可见其内圆柱面出现周向裂纹。且篦齿环的涂层有局部脱落。封严环前端面内缘约5 mm 范围内金属表面呈高温氧化色。

图1a 为断裂的石墨密封环内圆柱面的磨损形貌，可见各条状石墨碎片内表面上部均有非常严重的偏磨现象，磨痕不规则，图1b 轴向上磨损厚度承梯度分布。经测量，石墨被磨损了1/3 左右。图1c为断裂件外圆柱面形貌，其表面颜色呈深黑色，无光泽，质地粗糙，表面密布一些小凹坑。而同批次库存件为亮灰色，有金属光泽，表面细腻平整光滑。出现这一现象的原因是由于断裂件所处温度超出了其允许使用温度，使得石墨密封环中环氧树脂粘合剂经高温分解炭化，形成硬质颗粒、疤痕，破坏其自润滑和密封条件，从而极大地增加磨损力。同时，由于经高温分解，破坏了石墨密封环内部结构，降低其抗拉强度，容易产生脆性破损［3］。

图1 断裂的石墨密封环宏观形貌Fig.1 Appearance of the failed graphite seal ring

1.2 断口分析

断裂主要从内圆柱面起始，由内向外扩展，断面可见明显的放射棱线，呈快速开裂特征。断裂件的起始部位无明显缺陷，无夹杂，石墨颗粒大小均匀(图2a);扩展区呈典型脆性断裂特征(图2b);最终断裂区呈瞬时脆性断裂(图2c)。由此可见，石墨密封环断裂属脆性断裂。

图3 为内圆柱面周向裂纹打开形貌，颜色深暗，无光泽，无明显断裂特征。图4 为热裂纹高倍形貌，断口已经被氧化，存在较多的微小裂纹和孔洞，是石墨密封环中环氧树脂胶黏剂经高温分解炭化形成的，属于过热裂纹。

图2 断口微观形貌Fig.2 Morphology of the fracture

图3 周向裂纹打开形貌Fig.3 Morphology of circumferential fracture

图4 热裂纹高倍形貌Fig.4 High-power morphology of heating crack

1.3 物理性能检测

取与故障件同一批次的石墨密封环，根据HB 5366—1986 技术要求进行物理性能检测，结果见表1。表明石墨密封环材质硬度、耐压强度、弯曲强度、空隙率及密度等物理性能符合标准要求。

表1 石墨密封环物理性能Table 1 Physical performance of the graphite ring

1.4 高温脱落试验

石墨密封环组件是由石墨密封环和石墨密封环套组合而成。为证明在正常工作条件下，石墨密封环套不会对石墨密封环施加额外外力而致使其发生断裂或偏磨，因此，进行石墨密封环正常工作温度的高温试验。水平放置石墨密封环组件，支撑石墨密封环套，在石墨上放置1.4 kg 的重物。在加热至450 ℃，石墨密封环与石墨密封环套没有相对移动。当加热至500 ℃时，石墨密封环与石墨密封环套有相对位移，位移量为小于0.5 mm。石墨密封环套组件在正常工作时，环境温度要低于450 ℃，并且石墨密封环套只受石墨密封环给予它的径向力，所以正常工作条件2 个零件不会发生相对运动。

1.5 尺寸测量

图5 为封严环组件设计图纸要求尺寸及本次分解后的计量值。从计量结果看，石墨密封环套的同轴度和跳动都严重超标，而复查同批次库存零件，尺寸是符合要求的。这说明工作过程中零件产生了较大变形。

图5 封严环组件尺寸Fig.5 Size of seal ring assembly

2 分析与讨论

2.1 断裂性质分析

通过对断裂的石墨密封环表面痕迹检查，结果表明，石墨密封环经受了很大的摩擦力导致其严重磨损，石墨中环氧树脂粘合剂经高温分解并产生热裂纹;断口基本平齐，断面无明显缺陷，无夹杂，石墨颗粒大小均匀，呈现典型的脆性断裂形貌。通过物理性能检测，石墨密封环材质符合相关产品标准要求。综合以上分析，该石墨密封环断裂性质为过热脆性断裂。

2.2 断裂原因分析

对石墨密封环组件进行结构分析中可知，石墨密封环和石墨密封环套是石墨密封环组件的下属零件，石墨密封环组件是封严环组件的下属零件。石墨密封环组件的左端面与封严环面接触，其右端面通过垫片、波纹弹簧支撑在锁片上，锁片固定在封严环上。封严环组件在整机上主要起到轴向气密封作用。石墨密封环组件的工作温度在300 ℃左右，自定心工作，在工作状态，与转子不接触;因此，不会发生与转子碰撞而碎裂的现象。同时，石墨密封环材质的物理性能经检测也是满足相关标准要求的。

封严环组件除了封严作用外，还起到定心作用，以保证轴向径向扩压器组件与喷射油道同心。所以封严环组件不仅会受到转子对它的冲击力，还有可能受到轴向径向扩压器组件和喷射油道的冲击力和扭矩。随着发动机转速逐渐上升，可能会发生轻微碰磨，但这是允许的。同时由于石墨密封环两个端面都有支撑，一般不会发生倾斜，不会发生偏磨。经了解该发动机在试车到慢车分解后发现石墨密封环上没有被磨的痕迹。这说明在发动机试车转速到慢车时，石墨密封环与转子已经分开，不会碰磨。但是，由于发动机在高速运转时，转速突然下降，振动急剧上升，因此，石墨密封环可能受异常外力的冲击造成破碎。所以，当封严环受外力冲击变形后，必定导致石墨密封环组件倾斜，从而引起转静子对其碰磨和偏磨。这一点也可从断裂的石墨密封环的偏磨痕迹及封严环上以及垫片上的划痕上得以证实。因此，可以推断石墨密封环断裂的过程:封严环受外力冲击变形，导致石墨密封环组件倾斜，从而会引起转静子碰磨和偏磨，密封环与转子发生偏磨时产生干摩擦生热升温，石墨密封环中环氧树脂粘结剂经高温分解炭化而变脆，在轴的冲击下发生脆性断裂。

综合分析表明:失效石墨密封环的物理性能和结构设计满足要求。但由于石墨密封环为脆性材料，抗冲击性差，在发动机异常振动时，会引起转子冲击石墨密封环，动静组件发生严重干摩擦，在轴的冲击下发生脆性断裂。