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主汽门操纵座弹簧的断裂失效分析
董汉武，高岩，郑志军
(华南理工大学机械工程学院，广东广州510640)
摘 要：对某电厂汽轮机主汽门操纵座弹簧的断裂失效进行了分析。结果表明：弹簧材料化学成分及组织都符合国家标准；导致其早期疲劳断裂的主要原因是弹簧表面的腐蚀坑；腐蚀坑是在弹簧使用前的放置过程中形成的；改善弹簧放置环境和缩短放置时间可以避免腐蚀坑的产生。
关键词：弹簧；疲劳；腐蚀
0 引 言
某电厂中压汽轮机主汽门操纵座弹簧材质为60Si2CrA，内径230mm，外径258mm，工作温度为室温，浸泡在汽轮机透平油中。弹簧在汽轮机工作时处于压缩状态，压力为198N，汽轮机停机时弹簧松开。在正常使用条件下，弹簧寿命为4a(一个大修周期)，但有一个弹簧在使用1a左右两处发生断裂，所幸没有造成损失。据了解，该机1a内停机十几次。为了防止同类事故再次发生，作者对其失效原因进行了分析。
1 弹簧断口宏观分析
对两个弹簧断口进行宏观观察，发现其宏观特征非常相似，断口与钢丝轴线均呈45°角；断口表面都很平滑，没有塑性变形，呈宏观脆断的特征；断口表面都有典型的疲劳失效贝壳纹花样，平滑区域明显，说明断裂不是瞬间发生而是经过缓慢的裂纹形成和扩展过程后才进入最后的瞬断区；裂纹瞬断放射区较大，剪切唇区很窄。弹簧表面有很多腐蚀坑，而断裂起源位置都在弹簧外表面腐蚀坑处。图1为其中一个弹簧断口的宏观形貌。
图1 断裂弹簧断口的宏观形貌
图2 断裂弹簧显微组织 500×
2 成分分析
对断裂弹簧进行化学成分分析，结果见表1。可见弹簧成分符合国家标准。
3 硬度测定
用洛氏硬度计对断裂弹簧进行硬度测定，其平均硬度为50.4HRC。该弹簧的常规热处理工艺是830～860℃油淬，430～500℃回火，硬度要求为47～52HRC[1]。可见断裂弹簧的硬度符合使用要求。
4 弹簧基体组织及表面腐蚀坑形貌
在弹簧上沿钢丝轴向截取金相试样，观察发现弹簧内有一定的夹杂物存在，但其等级低于1级(根据GB10561-1989进行评级)；图2是断裂弹簧的显微组织，为回火屈氏体，组织正常。
肉眼可见断裂弹簧表面有很多腐蚀坑(图1)。由图3可见，明显的腐蚀坑(两处黑色凹下部位)和其中大量的腐蚀产物。
图3 断裂弹簧表面腐蚀坑的横截面形貌 50×
5 断口扫描电镜形貌和表面产物成分
由于断口保护不当，表面严重生锈，因此先将断口试样在配制的混合酸溶液中去脂、除锈，然后放在丙酮溶液中在超声仪内振荡清洗，并用毛刷刷洗表面，至断口表面露出金属光泽为止，再用LEO153OVP型场发射扫描电镜(SEM)进行断口分析。
由图4a可见断裂起源处与裂纹缓慢扩展平滑区有明显交界，起源处可见明显的贝壳纹。由图4b可见裂纹起源处腐蚀坑内的腐蚀产物。断裂平滑区内可见韧窝花样(图4c)和解理花样(图4d)。
能谱成分分析发现图4b的腐蚀产物主要为氧化物，还有极少量的硫化物；图4c和图4d的断裂平滑区表面上也有氧化物。
(a) 断裂源
(b) 断裂源处腐蚀产物
(c) 平滑区韧窝花样
(d) 平滑区解理花样
图4 弹簧断口的SEM形貌
6 断裂原因分析
断裂弹簧的化学成分符合国家标准，显微组织正常，弹簧基体内的夹杂物等级符合要求，弹簧的硬度符合要求，因此弹簧材料质量并无缺陷。
弹簧断口表面很平滑，无明显的塑性变形，呈宏观脆断的特征；断口与钢丝轴线呈45°角，处于弹簧最大剪切力面上；断口表面有典型的疲劳贝壳纹，平滑区域明显，说明断裂不是瞬间发生，而是经过缓慢的裂纹形成和扩展过程后才进入最后的瞬断区。
断裂弹簧表面肉眼可见很多腐蚀坑，而断裂源位置都位于弹簧外表面的腐蚀坑处。能谱分析表明腐蚀产物主要为氧化物。
根据上述试验结果，认为主汽门操纵座弹簧的断裂属于疲劳断裂。造成弹簧早期疲劳断裂的主要原因是弹簧表面的腐蚀坑，作为裂纹起源，在弹簧交变工作应力的作用下诱发了早期疲劳失效。
弹簧表面的腐蚀坑是在使用之前长时间搁置过程中形成的，还是在使用过程中引起的，对此问题作者通过调查得知浸泡弹簧的透平油质量合格，排除了使用过程中形成腐蚀坑的可能。据厂方介绍，弹簧在使用之前的搁置环境较潮湿，且弹簧由于订货较早，使用前的放置时间较长，因此断定造成弹簧是在投入使用前表面就已经发生了腐蚀。
7 结论和建议
(1)汽轮机主汽门操纵座弹簧的断裂属于疲劳断裂，造成弹簧早期疲劳断裂的主要原因是弹簧表面的腐蚀坑。
(2)建议厂方对弹簧使用前的搁置环境和放置时间加强管理，避免弹簧在放置状态时发生腐蚀。
经过改进以后，此类事故没有再度发生。
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