摘要:某閥門與導(dǎo)輪縱梁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動處發(fā)生顯著變型,造成該處表面的火焰涂裝鍍層發(fā)生大面積斷裂。選用宏觀觀察、化學(xué)成份剖析、掃描電鏡及能譜剖析等方式對鍍層斷裂的成因進(jìn)行剖析,結(jié)果闡明:閥芯通過縱梁推動閥門旋轉(zhuǎn),閥門在旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行低頻次、周期性的運(yùn)動,交變撓度導(dǎo)致閥門晶粒發(fā)生應(yīng)力變型,變型后的晶粒使延性的火焰涂裝鍍層斷裂及大面積斷裂。

關(guān)鍵詞:閥門;襯套;扭轉(zhuǎn)力;疲勞撓度;火焰涂裝

中圖分類號:TB31;TG115.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1001-4012(2023)06-0055-04

電網(wǎng)行業(yè)用球狀球閥對管線內(nèi)介質(zhì)的流量控制、開啟和閉合起到至關(guān)重要的作用,可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的流通和截至[1]。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中,閥門和噴嘴常年密封旋轉(zhuǎn),造成兩者間存在長時、高頻的滑動摩擦作用,并發(fā)生刻蝕、磨損、變形等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響球閥對介質(zhì)的調(diào)節(jié)控制[2]。閥門外表面和噴嘴內(nèi)表面的硬質(zhì)鍍層表面改性至關(guān)重要,火焰涂裝形式是通過機(jī)械結(jié)合作用,最大限度地提高表面的強(qiáng)度和耐磨性[3]。某火電站閥門與導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)縱梁處發(fā)生變型和鍍層斷裂,該閥門碳化物材料為低合金鋼。閥門半徑為43mm,半圓孔半徑為22mm,矩形縱梁處寬度為25mm×17mm(寬度×寬度),火焰涂裝涂覆材料為NiCr-Cr3C2。

筆者選用一系列理化檢測方式對鍍層斷裂的原因進(jìn)行剖析,以避免該類車禍再度發(fā)生。

1理化檢測

1.1宏觀觀察

襯套通過圓形縱梁與閥門產(chǎn)生聯(lián)動,推動閥門在環(huán)型閥墊上旋轉(zhuǎn)[4]。低頻率、長時間的縱梁和旋轉(zhuǎn)造成輪緣和閥門接觸處均發(fā)生較顯著的變型,閥桿圓形端頭發(fā)生嚴(yán)重銹蝕,閥門圓形凹槽內(nèi)部形成嚴(yán)重擠壓凹陷。同時,縱梁處覆蓋于閥門表層的硬質(zhì)鍍層發(fā)生斷裂和斷裂現(xiàn)象。鍍層斷裂的閥門、閥桿和閥墊宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:閥門表面涂覆發(fā)生較嚴(yán)重的斷裂現(xiàn)象,斷裂區(qū)域主要集中在圓形凹槽長邊附近。凹槽內(nèi)部與導(dǎo)輪縱梁處發(fā)生嚴(yán)重變型。斷裂的鍍層尖角較為鮮明,呈崩斷脆性斷裂形貌。同時,因為圓形凹槽內(nèi)不存在因變型而斷裂的鍍層,可確認(rèn)該閥門的加工工藝為先進(jìn)行火焰涂裝,再進(jìn)行方形槽機(jī)械加工[5]。

1.2物理成份剖析

選用直讀波譜儀對閥門晶粒進(jìn)行物理成份分析,結(jié)果如表1所示,由表1可知:閥門晶粒的物理成份符合GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

1.3掃描電鏡(SEM)剖析

將閥門放在掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖2所示。圖2a)為軸套和閥門的縱梁處,襯套低頻次旋轉(zhuǎn)作用造成該處產(chǎn)生尖角狀凹陷[6],旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撓度導(dǎo)致碳化物發(fā)生顯著組織串?dāng)_和表層氧化層斷裂;圖2b)為旋轉(zhuǎn)力鍵入的撓度點(diǎn)區(qū)域,撓度鍵入點(diǎn)附近鍍層已全部發(fā)生斷裂,存在較顯著的發(fā)散白色,黑色間傾角約為30°,是撓度以點(diǎn)的方式鍵入基體并在晶粒內(nèi)擴(kuò)散的典型形貌,撓度在接觸頭處早已發(fā)散狀擴(kuò)散至鍍層內(nèi)部[7];圖2c)為凸緣與閥門旋轉(zhuǎn)鉸接處的形貌,因為襯套的旋轉(zhuǎn)作用,襯套漸漸與閥門間產(chǎn)生間隙,隨著間隙的減小,接續(xù)的低頻次旋轉(zhuǎn)會使兩者間形成位移,以便使閥門邊沿形成顯著的金屬流變和咬傷形貌;圖2d)為凹槽邊沿的殘留鍍層形貌,該殘留鍍層為先進(jìn)行火焰涂裝,后機(jī)械加工凹槽引致,在邊沿處產(chǎn)生沒有支撐且極易斷裂的棱狀鍍層[8];火焰涂裝鍍層順著發(fā)散狀撓度擴(kuò)散方向開裂,鍍層與晶粒發(fā)生剝離,撓度擴(kuò)充使鍍層發(fā)生明顯延性斷裂[見圖2e)],開裂擴(kuò)充方向的逆向延長線焦點(diǎn)即為撓度鍵入點(diǎn)[9];鍍層和晶粒間存在較顯著圖2鍍層斷裂閥門的SEM形貌的未刻蝕,是火焰涂裝機(jī)械結(jié)合的典型特點(diǎn)[見圖2f)];涂覆在循環(huán)疲勞蠕變的作用下,發(fā)生波紋狀剝離,在晶粒表層有部份鍍層殘留[見圖2g),2h)],同時,在鍍層完全斷裂區(qū)域,才能觀察到顆粒狀的層間球形脆化相;斷裂鍍層的斷口呈顯著的解理特性[見圖2i)],內(nèi)部尖角狀組織顯著,為低溫運(yùn)行狀態(tài)下的表層析出,是鍍層延性斷裂的典型形貌[10];運(yùn)行后閥門鍍層和鍍層間析出膠狀硫化物,晶粒密集分布于基體表層,觀察到的硫化物最大半徑約為10μm,平均半徑約為6.2μm,析出相平均寬度約為18.7μm,與涂覆長度接近,阻隔了鍍層和晶粒間的結(jié)合力[見圖2j)]。

1.4能譜剖析

對閥門表面原始鍍層區(qū)域、開裂鍍層區(qū)域和脫落后的基體區(qū)域分別進(jìn)行能譜剖析,結(jié)果如圖3所示,鍍層表層中Ni元素的品質(zhì)分?jǐn)?shù)為10%,Cr元素的品質(zhì)分?jǐn)?shù)為25%~40%,Fe元素的品質(zhì)分?jǐn)?shù)為0~5%,斷裂鍍層后邊區(qū)域的成份與完整鍍層表層基本一致,為高硬度且耐磨蝕的高鉻鎳鍍層[11]。閥門基體中Ni的品質(zhì)分?jǐn)?shù)為0~2%,Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~15%,Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~30%,說明閥門基體中基本不含Ni元素,為鐵基材料。

鍍層與基體的物理成份差異較大,闡明該火焰涂裝鍍層與閥門基體之間基本沒有元素遷移,即沒有與基體發(fā)生液態(tài)金屬相互滲透,屬于機(jī)械結(jié)合而非冶金結(jié)合[12]。鍍層和基體間析出的球形析出成分為Fe元素和C元素,為低溫運(yùn)行狀態(tài)下析出的層間硫化物[13]。

由此可見,基體材料為Ni元素濃度較低的非奧氏體鍍鋅,火焰涂裝鍍層為Cr、Ni元素濃度較高的硬質(zhì)合金,該合金具備較大延性。襯套低頻次的運(yùn)動造成閥門在撓度作用下出現(xiàn)裂縫和剝離[14]。

2綜合剖析

綜合上述分析可得,球閥基材為低合金鋼,火焰涂裝鍍層為高Cr、Ni元素濃度的NiCr-Cr3C2硬質(zhì)合金[15]。同時,兩者為機(jī)械結(jié)合狀態(tài),鍍層和基體屬于2個獨(dú)立部份,并沒有基體金屬和鍍層金屬互熔過程造成的元素流動現(xiàn)象,所以二者結(jié)合硬度也相較于冶金結(jié)合存在巨大差異[16]。

該閥門在機(jī)械加工前進(jìn)行了整球火焰涂裝,噴涂完成后進(jìn)行方形槽加工。依照GB/T3077—2015,基體鋼的強(qiáng)度不小于,抗變型能力較低。在軸套低頻次往復(fù)運(yùn)動的交變應(yīng)力作用下,襯套與閥門縱梁面形成循環(huán)撓度,所以球閥方形槽內(nèi)發(fā)生顯著變型[17-18]。在交變?nèi)渥兊难h(huán)作用下,表面涂覆產(chǎn)生疲勞源,并失穩(wěn)擴(kuò)充,為球閥表面涂覆斷裂的直接誘因[18]。

NiCr-Cr3C2鍍層屬于延性金屬基陶瓷涂覆,為金屬基陶瓷復(fù)合材料,其經(jīng)熱涂裝與晶粒機(jī)械結(jié)合,機(jī)械結(jié)合硬度約為90MPa,與等離子噴焊和雷射熔覆等冶金結(jié)合方式的表面改性硬度相差較大[19]。經(jīng)交變撓度作用后,鍍層容易發(fā)生剝離、脫落等現(xiàn)象[20-21]。同時,閥門在約480℃的低溫水環(huán)境中運(yùn)行,鋼基體與NiCr-Cr3C2鍍層間析出以M23C6和M7C3為主的含碳球形相,造成基體和涂層間結(jié)合不密切,減緩了剝離效應(yīng)[22]。

3結(jié)語

(1)建議對閥門先進(jìn)行凹槽的機(jī)械加工,再進(jìn)行火焰涂裝,使涂裝鍍層才能覆蓋凹槽內(nèi)部,保證球閥和輪緣旋轉(zhuǎn)受力點(diǎn)處的強(qiáng)度和抗變型能力。

(2)對閥門進(jìn)行凹槽機(jī)械加工后,按照閥門的變型點(diǎn)確定受力區(qū)域,在縱梁面的受力區(qū)域進(jìn)行硬質(zhì)合金的內(nèi)孔雷射熔覆改性,以確?？v梁處的強(qiáng)度和抗變型能力。

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