废热锅炉安全阀弹簧断裂失效分析.pdf

动设备 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 0 0 8 ， 2 9 4 3 8 Pe t r o Che mi c a l Eq ui pme nt Te c hno l ogy 废热锅炉安全 阀弹簧断裂失效分析 刘 钧 泉 ， 周 小敏 华南理5 - 大学机械 与汽 车5 - 程学院腐蚀 与表面5 - 程研 究所 ， 广东 广州 5 1 0 6 4 0 摘 要 某废热锅 炉安全 阀弹簧在使 用过程 中发 生断裂 ， 通过 对宏观的形貌观察 、 材料 成分分析、 金相检 验 、 硬度测定 以及扫描 电镜观察 ， -- r ,1 断本起失效的断 裂类型属脆 性沿 晶断裂 ， 弹簧 内部 的晶界弱化 以及 组 织上 的微孔洞和微 裂纹缺 陷是 引起 失效的主要 原 因。 关键词 安全阀弹簧 ； 沿晶断裂； 晶界弱化 中图分类号 TE 9 7 4 ． 3 文献标识码 B文章编号 1 0 0 6 8 8 0 5 2 0 0 8 0 4 0 0 3 8 0 3 近年来 ， 有若干弹簧失效的案例 ， 失效原因主 要有材料 的化学成分不合格 、 腐蚀性介质的作用 、 制造工艺不当以及材料强度不够等。除此 以外 ， 在工 程 中还 有 因 材 料 组 织 不 均 、 晶界 弱 化 、 微 孔 洞 、 微裂纹和材料表面缺 陷等 因素而导致 的弹簧 失 效 。 某废热锅炉安全阀上的弹簧在使用十几年后 发生断裂 ， 该弹簧作为安全阀的配件整件进 口， 呈 圆柱螺旋状 ， 共有 8圈， 工作时受压。主要技术参 数 开 启压 力 1 1 ． 2 0 MP a ； 回座压 力 1 0 ． 2 MP a ； 公称压力 2 5 0 0 l b ； 进 口公称 通 径 4 i n ； 出口公称通径 6 i n } 工作温度为 3 1 4 ℃。 失效前 ， 安全阀曾开启一次 ， 开启时的压力为 1 1 ． 2 M Pa 。 1分 析程序 1 ． 1宏观 形貌 观察 弹簧外观乌黑 ， 没有浮锈 ， 见 图 1 。断 口在离 固定端约一圈的部位的簧丝直径无 明显形变 ， 断 口呈弯面 ， 黑褐色， 锈层较坚实 ， 与簧丝截 面约成 3 0 。 ～4 5 。 角 ， 形貌见图 2 。在图 2 箭头 1 所指的部 位有剪切唇 ， 但区域很小 ， 沿周 向的长度 约为 2 O mm， 宽度不足 0 ． 5 mm。在图 2箭头 2所指的局 部呈锥状 ， 表明在 断 口的另一配合面上可观察到 剪切唇 ， 从锥状延伸 的范围估计出另一 配合面上 剪切唇与箭头 1 部位 的大小相仿 。在断口的大部 分区域 ， 观察到“ 人” 字形条纹 ， “ 人” 字形条纹指向 箭头 3的部位 ， 显示 此处有可能是裂纹 的起 源。 此部位接近于簧丝 的外侧 参见 图 1中的箭头 3 的部位 。断 口的这些 特 征表 明本 起 失 效 基 本 属 于脆性断裂Ⅲ 。 图 1 弹簧圈形貌 2 3 图 2 弹簧断 口形貌 2 ． 2材 料成 分分 析 取弹簧圈样品进行化学成分分析 ， 其结果见 表 1 。 收稿 日期 2 0 0 8 0 5 0 8 。 作者简介 刘 钧泉 1 9 4 7 ， 男 ， 广 东中 山人 ， 1 9 8 2年 毕业 于 华南理工 大学腐蚀 与防护 工程专业 ， 获学 士学 位 ， 现任 职于 华南理工大学机械与汽车工程学 院， 高级 工程师 ， 研 究方 向 腐蚀 防护与表面工程 、 安全工程 。 维普资讯 第 2 9 卷第 4 期 刘钧泉 等．废热锅 炉安全 阀弹簧断裂失效分 析 表 1 弹簧圈化学成分 元素 钢号 C Cr M “ V P S 弹簧圈 0 ． 5 2 1 ． 2 0 1 ． O 8 0 ． 1 1 0 ． 0 0 8 0 ． O 1 3 5 0 Cr VA 0 ． 4 6 ～ 0 ． 5 4 0 ． 8 O ～ 1 ． 1 0 0 ． 5 0～ 0． 8 0 0 ． 1 0 ～ 0 ． 2 0 0 ． 0 3 0 0 ． 0 3 0 5 5 Cr M nA 0 ． 5 2 ～ 0 ． 6 0 0 ． 6 5 ～ 0 ． 9 5 0． 6 5～ 0． 9 5 0 ． 0 3 0 0 ． 0 3 0 分析结 果表 明， 弹簧 圈 的成 分接 近 国 内的 5 0 C r VA和 5 5 C r Mn A 两种钢 ， 但 C r 、 Mn含量高 于这 两 种 钢 。C r 元 素 能 提 高 钢 的 强 度 和 硬 度 ， C r 、 Mn相互作用， 可使钢有很高的淬透性 ， 但 C r 、 Mn均能 引起 回火 脆 性 。V 的加 入 ， 可 以使 晶 粒 细化 ， 提高钢的韧性。一般认为 P 、 S是 钢中的有 害元素 ， 其含量应加 以控制 。 1 ． 3组 织和金 相检 验 在 对材 料成 分 检 查 取 样 时 ， 发 现 图 l中箭 头 4的部位有孑 L 洞缺 陷， 更清晰的形貌见 图 3中箭 头 4 。分 别 对 图 l中 的 A 试 样 和 B试 样 进 行 检 查 。A试样用酒精 溶液揩擦后 ， 在 图 2中箭头 3 部位 圆柱 面 的二 次 电子像 中 观 察 到疑 似 裂 纹 ， 见 图 4中箭 头 5部位 。 图 3 取样部位见 孔洞缺陷 图 4试样 A 圆柱 面疑似裂纹 对 B试 样 抛光 后 进行 检 查 ， 多 个 视场 观 察 到 孔洞缺陷， 图 5是试样 B边缘 靠近试样 A箭头 3 部 位 孔 洞形 貌 ， 在 这 附 近 还 发 现 一 条微 小 裂 纹 ， 见 图 6。 对腐 蚀后 的 B试 样 进 行 金 相 检 验 。图 7是 用 酒精 1 0 0 mL 与硝 酸 3 mL 混合 的浸 蚀液 处 理时间为 1 0 s 作浸蚀处理 的金相形貌 图， 图 8是 用苦味酸 1 0 g 与二 甲苯 1 0 0 mL 及酒精 1 0 mL 混合的浸蚀液 处理时间 9 O s 作浸蚀处理的 金相 形貌 图 。 图 5 B试样边缘孔洞 图 6 B试样边缘微裂纹 图 7 酒精 硝酸浸蚀的金相 图 7中没有观察到表层脱 碳 ， 除一孔洞外也 没有观察到其他缺陷 ， 金相形貌与文献[ 2 1 提供的 5 0 C r VA钢淬火一 回火状态 的显微组 织相似 。酒 精硝 酸 浸蚀 液不 能显 示 材 料 的 晶界 形 貌 ， 而 苦 味 酸二 甲苯酒精浸蚀处理则主要用于检验晶界是否 有 弱 化 。 检验结果表 明， 在试样 B的若干视 场， 发现 有 晶 界 弱化 形 貌 ， 图 8是 其 中的 一个 视 场 。造 成 晶界弱 化 的原 因是 回火 工 艺 不 当 ， 使 材 料 容 易 产 生沿 晶开裂破 坏 。 维普资讯 石油化工设备技术 2 0 0 8正 图 8 苦味酸二 甲苯酒精浸蚀 的金相 1 ． 4材 料硬 度测 定 在试样 B上测定 6 个 点的硬度， 其数值均落 在 5 0 C r VA弹簧钢经淬火一 回火处理 的推荐硬度 HR C 4 5 ～5 O 内， 平均值 为 HR C 4 9 ， 因此 ， 本起 案例中弹簧的硬度符合标准。 1 ． 5断 口分 析 I 清除腐蚀物前的断口 断 口大部分表面观察到腐蚀物， 宏观上观察 到“ 人” 字 形条 纹 部位 的断 口的二 次 电子像 见 图 9 。断口上有块状结构 物， 在断 口的某一部位 进行能谱检测 ， 除检测出材料本身所含的成分外 ， C a 和 P的含 量较 高 ， 这 可 能是 锅 炉水 体影 响 的结 果 ， 除此以外， 没有发现可能引起严重腐蚀的物质。 2 清除腐蚀物后的断 口 对断口清理后的二次电子像见 图 1 0 。图 1 0 上观察到清晰的冰糖块状结构 ， 表明断口是沿晶 开裂 破 坏 。多 个 视 场 观 察 到 二 次 裂 纹 见 箭 头 6 ， 进一步证实簧丝发生脆性破坏。 图 9 清除腐蚀物前 的断 口 图 1 O清除腐蚀物后 的断 口 1 ． 6应 力分 析 弹簧 圈 的最 大 应力 点 在横 截 面 的 内侧 ， 而 弹簧圈断裂 的源点 为横截 面的外侧， 弹簧圈不是 从应力最大点处开始断裂 的， 这一现象不支持弹 簧的断裂是因为其工作应力大于材料的许用应力 引起 的 。 2分析 和结 论 I 宏 观 检查 表 明 ， 事 例 中 的弹 簧 属 于 脆 性 断 裂 ， 裂纹 源发 生在 图 I和 图 2箭 头 3部位 ， 从 理 论上分析 ， 受压缩的弹簧 ， 工作时最大应力处为横 截面的内侧 ， 而本弹簧裂纹源部位基本属于外侧 ， 所受 的应 力是 较小 的 。裂 纹源 不是 产生 在工 作应 力最 大部 位 的这 一 现 象 表 明 ， 本 起 事 例破 坏 的 主 要 原 因不 是强 度设 计不 足 。 2 金相 检 查 结 果 表 明 ， 事 例 中 的 弹 簧 在 B 试样边缘 A试样裂纹源部位沿轴向延伸处 检查 出微裂纹， 抛光后 的表面有较多的孔洞缺陷， 表明 制造 弹簧的材质有缺陷。经硝酸酒精溶液浸蚀的 金相 表 面没 有检 查 出表 层 脱 碳 的 损 伤 ； 经 苦 味 酸 二 甲苯酒 精溶 液 浸蚀 的金 相上 观察 到材 料某 些部 位有晶界弱化形貌 ， 表明有 回火脆性特征， 回火脆 性现象通常是 由回火工艺不 当引起的。 3 在能谱检测 中， 断 口上没有检查到引起 材料发生晶间腐蚀的物质元素。 4 断 口的微观检测 中， 观察到清晰 的冰糖 块 状结 构 ， 表 明 断 口是 沿 晶 开 裂 破 坏 。多 个 视 场 观察到二次裂纹， 特别是 在裂纹源 附近紧靠簧丝 的圆柱 面处 也观 察到 二次 裂纹 。 根据 以上分析， 本起案例中弹簧 的断裂属 于 脆 性沿 晶断 裂 ， 材 料 内部 的 晶界 弱 化 以 及 组 织上 的微孔洞和微裂纹缺陷是弹簧失效 的主要原 因。 由于簧丝材料表面存 在微裂纹缺 陷， 当弹簧工作 时 ， 应力集 中发 展 成裂 纹源 ， 而 材料 内部 存在 微孔 洞， 并且晶界上有回火脆性特征 ， 使裂纹源沿微孔 洞 或 晶界处 发 展 ， 最 后造 成 沿 晶断裂破 坏 。 参 考 文献 [ 1 ] 廖景娱 ， 刘正义．金属构 件失效 分析 [ M] 。北京 化 学 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 金相分析 技术 E M] ．上 海 上海 科学 技术 文献 出版 社 ， 1 9 8 7 ． [ 3 ] 刘 鸿 文．材 料力 学 [ M] ．北 京 人 民教 育 出版 社 ， 1 9 79 ． 维普资讯