高炉下密封阀油缸拉杆失效分析与改进

2020-11-17徐博明

设备管理与维修 2020年20期

徐博明

（青岛特殊钢铁有限公司装备部，山东青岛 266400）

0 引言

高炉密封阀用来对料罐进行煤气密封，上、下密封阀分别安装在料罐的上、下两端，通过上、下密封阀的交替启闭，保证高炉炉顶压力稳定，上、下密封阀均为液压缸驱动[1]。公司下密封阀驱动液压缸为空心液压缸，通过空心液压缸驱动拉杆，带动阀门启闭。在正常使用情况下出现拉杆断裂现象，高炉被迫休风，为保证高炉稳定运行，分析拉杆的失效原因具有重要意义。

1 理化分析

1.1 拉杆外观形貌分析

拉杆已经断裂成两部分，断裂位置为焊缝区，如图1 所示。

图1 拉杆断裂接缝外观

（1）断口宏观分析。拉杆的宏观形貌见图2，其断裂表面起伏明显，断裂前没有明显的塑性变形，断口附近没有径缩现象，断口与正应力垂直，断口表面较平齐，边缘没有剪切唇。断口颜色较灰暗，呈规程的粗糙表面，表明断口是晶界脆性断口，可能是回火脆性断裂、氢脆、应力腐蚀、淬裂，判断为热处理不当所致[2]。

（2）结构分析。因该拉杆为非标设计，涉及商业保护，现场采用测绘方式，还原接头结构。沿轴向进行剖分，结合断面结构，对拉杆AB 两部分的连接方式进行还原，如图3 所示。工件A 的孔深为11.5 mm，工件B 的台高9 mm，从图3 中可看出两工件的配合为轴端定位。

图2 断裂面宏观金相

根据GB 50661—2011《钢结构焊接规范》，A、B 两工件接缝处应留有钝边，钝边高度以3 mm 为宜，焊缝厚度应为10 mm。实际还原后焊接接头结构无钝边，焊缝金属厚度仅为6 mm，不符合焊接设计规范。

1.2 化学成分分析

利用带锯在拉杆断裂界面进行取样，用平面磨床进行磨光，采用ARL4460 光谱仪进行检测。拉杆本体的化学成分：C，0.453%；Si，0.21%；Mn，0.58%；P，0.018%；S，0.009%；Ni，0.005% ；Cr，0.015% ；Cu，0.007% ；Mo，0.002% ；Ti，0.0014% ；Al，0.0021%。可以看出其各项成分均满足GB/T 699—1999《优质碳素结构钢》对45#钢成分的要求。

断口表面化学成分分析结果：C，0.24%；Si，0.22%；Mn，0.5%；P，0.018%；S，0.007%；Ni，0.008%；Cr，0.019%；Cu，0.011%；Ti，0.0058%；Al，0.001%。各项成分满足国标对25#钢的要求。

图3 A、B 工件焊接接头示意

1.3 硬度分析

将磨抛的断面和拉杆本体，采用HR-150D 型硬度计从拉杆外边缘0.5 mm 处向心部进行检测，检测结果见表1。从表1可以看出，拉杆本体的硬度值基本没有变化，硬度平均值为86.45 HRB，转换为布氏硬度值为169 HB，根据GB/T 699—1999，硬度值小于197 HB 为退火钢，说明拉杆本体为退火钢。断面处硬度值变化较大，切硬度较低，硬度平均值为72.03 HRB，转换为布氏硬度平均值为116 HB，根据GB/T 699—1999，说明接头焊后未进行退火热处理。

1.4 显微组织分析

利用带锯机在断口沿拉杆径向取样，抛光、腐蚀后，采用金相显微镜进行显微组织观察，如图4 所示。

根据拉杆和焊口处调质热处理条件，拉杆本体及焊口的显微组织应为回火索氏体，实际图中显示为网状半网状铁素体和珠光体组织。因此判断该拉杆没有经过调质处理[3]，证实了1.3 中的分析。

表1 硬度检测结果

图4 拉杆断口处显微组织

1.5 断口微观形貌分析

考虑成像效果，选用B 侧断面进行分析，用95%酒精超声清洗后，用扫描电镜进行观测，按照图5 所示划分为8 个区域。图5中区域1 内侧母材上方（区域1 方框位置），显微形貌如图6 所示，扫描电镜的打点分析结果如图7 所示。可判定出该位置有明显的焊接时留下的高Ca、Si、S 夹杂物，该现象是焊条电弧焊初始焊接位置的常见质量缺陷[4]。结合1.2 的成分分析结果，说明两个工件对接焊采用的是焊条电弧焊，选用的焊条为J422。

区域1、2 分别放大到34 倍、148 倍后的形貌如图8 显示，可以发现裂纹扩展的方向是从内圈向外圈裂开，图中箭头示意方向为裂纹扩展方向。

图5 显微区域划分

图6 区域1 断面显微形貌

图7 区域1 扫描电镜成分分析

区域1、2、3、7、8 断面显微形貌类似，均有沿晶和穿晶断裂，且有明显韧窝。以区域3 为例，放大到1950 倍和524 倍的断面显微形貌如图9 所示，可判断出这几个区域的断裂方式为韧性断裂[5]。

图8 区域1、2 断面显微形貌

图9 区域3 断面显微形貌

区域4 放大646 倍、区域6 放大1090 倍的断面显微形貌如图10、图11 所示，区域5 的断面显微形貌如图12 所示。从图12中可见，区域4、5、6 断面显微形貌图中气孔夹杂物较多，其中区域5 较明显，晶界清晰可见，破坏形式以沿晶断裂为主，少量解理断裂，表现为明显的脆性断裂。

图10 区域4 断面显微形貌

图11 区域6 断面显微形貌

图12 区域5 断面显微形貌

通过扫描电镜形貌分析可看出，区域5 表现为脆性断裂，区域4、6 脆性韧性断裂共存，区域1、2、3、7、8 主要表现为韧性断裂。根据机械零件的失效规律，同一工件存在脆性断裂和韧性断裂共存时一般先出现脆性断裂后开始韧性断裂[6]。根据分析结果，可以确定拉杆断面的失效路径分别延5→4→3→2→1、5→6→7→8→9 两条路径从内环到外环方向撕裂。

区域5 位置存在较多的气泡和杂质，该现象是焊条电弧焊焊接质量缺陷的常见现象。综合分析，本次拉杆失效的主要原因是拉杆焊接质量问题[4]。

2 分析与讨论

从上述分析可知，拉杆的化学成分符合要求，两件相焊的焊材选择标准偏低；拉杆装配在最薄弱的焊接接头处定位，导致焊接接头失效；拉杆焊接接头断面组织为网状半网状铁素体和珠光体，与理论上焊后调制热处理的金相组织回火索氏体不符，说明拉杆焊后未进行热处理；轴或杆的焊接一般采用手工钨极氩弧焊，实际选用焊条电弧焊；焊缝裂开的主要原因是5 号区域焊接时引入了较多杂质、气孔，导致出现脆性断裂，进而扩展到整个焊接接头。综合分析，导致本次拉杆失效的原因如下。

（1）焊接接口设计不符合焊接设计规范。

（2）焊接工艺不符合通常轴类工件焊接的工艺要求。

（3）焊后未进行热处理。

（4）存在明显的焊接质量问题。

其中，焊接质量缺陷是本次拉杆失效的直接原因。