捞渣机链环断裂分析

2017-03-20谷树超刘宇哲

失效分析与预防 2017年6期

谷树超，李俊，王松，李炅，刘宇哲

(上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090)

0 引言

捞渣机是火力发电机组的重要辅助设备，其结构部件的失效，会给电厂造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡。捞渣机链条设备是捞渣机的重要部件，由链环和刮板组成，由于设计、工作环境的影响，其故障率较高[1-2]。超超临界机组容量1 000 MW、过热蒸汽流量2 955 t/h，采用刮板捞渣机设备除渣，其电机功率55 kW，出力10.8 t/h。设备运行过程中，捞渣机链环发生断裂失效，链环材质为39NiCrMo3，表面采用渗碳处理。为查明链环断裂失效的原因及材质断裂时的相关性能变化，对其微观组织和力学性能进行相关试验检测及分析，且利用ANSYS有限元模拟分析方法分析链环在实际运行中的应力分布规律。

1 试验方法

利用Axio Oberver.D1m 倒置万能材料显微镜分析各试样的组织形态；利用UH250布洛维台式硬度计和402MVD显微维氏硬度计进行硬度分析；利用SPECTROMAXx全定量金属元素分析仪进行材质分析；利用JSM-5600LV型扫描电子显微镜对链环断口进行分析。利用ANSYS有限元分析软件，在结构状态非线性下，采用软件中的智能网格化分模块，对链环的受力简化模型进行加载受力分析，模拟链环的应力分布。

2 分析与讨论

2.1 化学成分分析

捞渣机链环材料为39NiCrMo3(EN 10083:3—2006标准)，相当于国产材料40CrNiMoA(GB/T 3077—2015)。这2个标准对两种材料的主要化学成分及热处理工艺规定如表1所示。

由表2可知，链环心部C含量偏低，Mn、Ni元素含量较高于标准要求，两种元素能显著提高钢的淬透性[3]，某种程度上使钢淬火、回火后硬度提高。其他化学成分符合标准EN 10083:3—2006对39NiCrMo3的规定要求。对链环表层进行光谱分析，C含量为0.633%(质量分数)，其他元素含量基本和心部一致，由此可知表面经渗碳处理，断口周边较光亮平整区域为渗碳层。

对链环心部进行实验室光谱分析，具体分析结果见表2。

表1 39NiCrMo3和40CrNiMoA化学成分及热处理工艺Table 1 Chemical composition and heat treatment process of 39NiCrMo3 and 40CrNiMoA

表2 链环心部化学成分分析 (质量分数 /%)Table 2 Chemical composition analysis result of chain core (mass fraction /%)

2.2 宏观形貌分析

链环断裂部分宏观照片如图1所示。由图可知，两断口分别位于两侧直边，断口1位于中间位置，断口2靠近圆弧的摩擦部位，为圆弧段和直边段的过渡区域。进一步观察，发现两断口基本为平断口，断口与链环轴垂直，断口毗邻部位未发生明显塑性变形，整个断口表现出明显的脆性断裂特征。断口2和断口1相比，不甚平整，呈现由环内弧面向外弧面扩展的放射条纹(图2)，结合链条环的受力可知，断口1为先期断裂，在拉力作用下，进而发生断裂形成断口2。断口1经进一步宏观观察，可见断面略呈斜向分布，周边表层较平细，心部较粗糙(图3)，这可能与表面渗碳处理有关。进一步观察，断口边缘处有一亮点(a点)，并可见由此亮点起始向两侧扩展的人字纹环花样，且右侧人字纹近内边缘有曲折的二次裂纹分布，拟为表面渗碳处理层的过渡区。在粗糙的心部断面区域，可见自下而上的扩展条纹分布。由此可见，开裂起始于链环断面的a点，先期沿外周渗碳层左右扩展，然后整体向12点钟方向(b点)扩展至断裂。

2.3 断口扫描电镜分析

对断口1的起始区、扩展区和终断区进行扫描电镜断口分析，其各区形貌如图4所示。由图可知，断口起始区低倍形貌较为平坦，并可见由边缘起始、向上扩展的放射状条纹分布，断面次表层可见沿周向连续分布的二次裂纹(图4a)。断面此区域高倍形貌如图4b所示，可见断面基本呈沿晶开裂形态，并且边缘表面有颗粒状物质嵌入分布。对该物质进行X射线能谱分析(图5)，可看出该物质除基体元素外，主要含O(36.79%，质量分数，下同)、Ca(1.26%)、S(0.29%)等元素，拟为链环基体氧化物与炉渣的混合物质。

图1 断裂链环宏观形貌Fig.1 Macrograph of fractured chain

图2 链环断口宏观形貌Fig.2 Macrograph of fractures

图3 断口1宏观形貌Fig.3 Macrograph of fracture 1

断面近心部扩展区低倍下形貌比较粗糙，同样可见自下而上的扩展条纹分布(图4c)，高倍下可见明显的韧窝花样(图4d)。断面近终断区边缘可见多处台阶形貌分布，高倍下可见该区域断面呈沿晶及准解理混合花样(图4e、图4f)。

2.4 金相分析

对断口1横截面进行金相组织观察，金相照片如图6所示。由图可知，链环表面渗碳层厚度约为2 mm，环向二次裂纹基本位于渗碳层与基体过渡区域，进一步观察发现，此裂纹并非连续，但其方向基本一致，均位于渗碳层与基体过渡区域，沿链环渗碳层圆周方向扩展。断面外表面近渗碳层处组织为针状马氏体和残余奥氏体，马氏体针长10～20 μm，依据《钢件渗碳层淬火回火金相组织检查》标准，马氏体级别可评为4级，残余奥氏体为3级。链环心部组织为低碳马氏体、贝氏体和少量游离铁素体混合组织(图6c)，心部组织评定级别为3级。形成的马氏体组织硬度较大，耐磨性较好，但脆性较大，在冲击载荷作用下，容易发生脆性开裂[4]。根据上述标准，从渗碳工艺角度对链环组织进行评判，链环此断面近渗碳层和心部组织正常。

图4 断口起始区(a、b)、扩展区(c、d)和终断区(e、f)扫描电镜图片Fig.4 SEM images of source area (a, b), propagation area (c, d) and fast fracture area (e, f) of fracture

2.5 硬度分析

采用显微硬度计和布氏硬度计，分别对断口横截面和对照试样渗碳层及心部进行硬度试验，各位置及对应硬度值如图7所示。

链环出厂要求规定渗碳层硬度不低于HV30730。由图7可知，失效链环断面1渗碳层硬度低于工件出厂要求，而对照试样在出厂要求范围内。由于链环试样热处理工艺未知，参考40CrNiMoA供应状态下的硬度标准(回火温度550～650 ℃，HB≤269)[5]可知，断裂链环心部硬度超出标准硬度上限，对比试样硬度略高于标准上限。失效链环渗碳层、心部组织和出厂标准以及对比试样之间的硬度差异，反映出此部件出厂时的热处理工艺参数选择不当[6]。

3 有限元分析

为模拟捞渣机链环实际工作中的应力分布，采用有限元计算模型，利用ANSYS软件模拟了链环不同部位的应力分布规律[7-8]。计算过程中，根据链条实际尺寸建立模型，不考虑链环的塑性变形和相对滑动，假设链环一端固定，另一端内侧受均布压力[9]，即在一端链环内侧弧面上施加大小为50 MPa压力，等效于63.875 kN的工作荷载，另一端链环端点施加固定约束。计算过程采用solid186单元划分结构网格，并在链环接触区域设置接触对，采用targe170和conta174单元划分接触面单元，网格模型如图8所示。

经模拟计算，链环的应力分布如图9所示。由此可知，链环内侧应力较大，且最大应力出现在链环圆弧段与直段的过渡区域内侧(图9红色区域所示，与链环实际最终断口2位置极为接近)，这表明此区域在实际服役过程中，容易发生疲劳失效。模拟结果与链环实际2个断口所反应的信息一致。