某电厂高压调节阀辅助弹簧断裂分析

李海霞 黄 亮 李兴东 王梅英

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

某电厂高压调节阀辅助弹簧断裂分析

李海霞 黄 亮 李兴东 王梅英

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

通过化学成分分析、硬度检验、金相组织检验、断口宏观分析及微观分析，对某电厂高压调节阀辅助弹簧断裂失效原因进行了综合分析。结果表明，弹簧在加工过程中出现较大尺寸的原始裂纹是弹簧发生脆性断裂的主要原因。

弹簧；原始裂纹；脆性断裂

某机组在做高压调节阀静态试验时，发现高压调节阀操纵座的一件杠杆辅助弹簧发生断裂。弹簧材质为60Si2MnA，主要制造流程为：弹簧卷制→淬火→回火→去油酸洗→镀锡→去氢→成品。断裂位置如图1所示。弹簧是高压调节阀的主要配件，高压调节阀的泄放主要是通过弹簧完成的。因此，弹簧的正常运行对高压调节阀乃至机组系统的安全运行起着至关重要的作用[1-3]。为找出此次弹簧的断裂原因，防止同类事故的再次发生，对弹簧断裂失效原因进行分析[4]。

图1 弹簧断裂位置Figure 1 Fracture position on spring

1 材质分析

1.1 化学成分分析

弹簧的化学成分分析结果见表1，由表1可见弹簧的化学成分符合GB/T 1222—2007《弹簧钢》中的规定。

1.2 洛氏硬度

弹簧60Si2MnA钢的洛氏硬度分析结果见表2，由表2可见弹簧的洛氏硬度符合GB/T 230.2—2012中的规定。

1.3 金相分析

在弹簧上取样制备金相样品，弹簧的金相照片如图2所示，夹杂物评定结果为D1，组织为回火屈氏体，晶粒度9级。

2 断口分析

2.1 宏观断口分析

表1 60Si2MnA钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of steel 60Si2MnA (Mass, %)

表2 弹簧的洛氏硬度分析结果Table 2 Rockwell hardnessanalysis result of spring

图2 弹簧金相照片Figure 2 Metallograhpic picture of spring

弹簧断口的宏观照片和纵剖面裂纹形貌如图3所示。从弹簧断面可以看到，断口分为两个区域，自弹簧内弧侧表面有一个长约30 mm、深约10 mm的“山”形区，该区域较为平坦，氧化锈蚀严重，呈铁锈色，裂纹面的边缘与弹簧的轧制方向一致。断面的其它区域呈浅灰色，可见从“山”形小断面的边缘向外呈放射状的棱线，断面高低起伏，局部有锈斑。另一段弹簧纵剖面上也存在裂纹，裂纹与弹簧的轧制方向一致。

(a)断裂弹簧宏观断口形貌(b)断裂弹簧裂纹剖面形貌图3 弹簧断口形貌Figure 3 Fracture morphology of spring

2.2 微观断口分析

用扫描电镜对弹簧断口进行观察，断口微观形貌见图4。由图4可见，“山”形裂纹区断口氧化严重，断口形貌为沿晶断裂。断面其他开裂区域断口形貌也是沿晶断裂+韧窝，可见二次裂纹。

(a)“山”形区内锈蚀形貌(b)“山”形区与其他开裂区交界处微观形貌(c)开裂区微观形貌(d)开裂区微观形貌图4 弹簧断口微观形貌Figure 4 Micro-morphology of spring fracture

3 分析与讨论

断口分析表明，根据断口形貌以及氧化程度可以发现，断口并非一次形成，弹簧内弧侧“山”形断面区域严重氧化锈蚀，是弹簧加工过程中形成的原始裂纹[5]。弹簧在加热状态下进行卷制、劈距，然后进行调质处理。弹簧钢丝热卷前是热轧态，弹簧钢丝表面有热轧遗留的直道，在热卷时因承受的载荷过高、变形过大，沿直道出现开裂，弹簧上原始裂纹起裂方向与弹簧丝上直道的方向一致[6]。弹簧钢丝硬度值很高，缺口敏感性很大，加上已有长约30 mm、深约10 mm的原始裂纹，大大降低了弹簧的承载能力，高压调节阀静态试验时，超过了杠杆辅助弹簧的承载能力，导致弹簧发生瞬时断裂。

4 结论

(1)弹簧的断裂类型是脆性断裂，弹簧在加工过程中工艺控制不当，致使弹簧表面出现较大尺寸的原始裂纹是弹簧发生脆性断裂的主要原因。

(2)建议弹簧在安装运行前严格检查，保证其表面质量。

[1] 刘华戡，马现云. 高压主汽调节阀常见故障分析与处理[J]. 发电设备，2008(06): 488-490.

[2] 苏德达，李忆莲．机械产品失效分析丛书(零件-2)弹簧的失效分析[M]．北京：机械工业出版社，1988：59-62．

[3] 冯砚厅，孙澎，孙涛，杨建菊. 电站锅炉汽包安全阀弹簧断裂失效分析[J]. 热加工工艺，2013，42(8)：227-228.

[4] 张栋，钟培道，陶春虎．失效分析[M]．北京：国防工业出版社，2004：29-50．

[5] 钟群鹏，赵子华．断口学[M]．北京：高等教育出版社，2006：270-290．

[6] 金双峰，程鹏，姜膺．弹簧的失效分析与预防技术[J]．金属热处理，2011，36(增刊)：140-144．

编辑 陈秀娟

Fracture Analysis on High Pressure Control Valve Assisted Spring of Power Plant

LiHaixia,HuangLiang,LiXingdong,WangMeiying

Based on the chemical composition analysis, the hardness test, the metallographic structure, macro-structure inspection and the fracture morphology analysis, the fracture causes of high pressure control valve assisted spring of power plant was analyzed. The results show that the main reason of spring brittle fracture was the appearance of a large size of original crack while the spring was machined.

spring; original crack; brittle fracture

2017—05—25

李海霞(1987—)，女，硕士，工程师，从事失效分析、新材料研发以及包括应力分析、相变分析、断裂韧性等在内的材料相关实验工作。

TG214

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