球阀 某球阀与阀杆铰接旋转运动处发生明显变形,导致该处表面的火焰喷涂涂层发生大面积脱落

摘要:某阀门与导轮纵梁旋转运动处发生显著变型,造成该处表面的火焰涂装镀层发生大面积断裂。选用宏观观察、化学成份剖析、扫描电镜及能谱剖析等方式对镀层断裂的成因进行剖析,结果阐明:阀芯通过纵梁推动阀门旋转,阀门在旋转过程中进行低频次、周期性的运动,交变挠度导致阀门晶粒发生应力变型,变型后的晶粒使延性的火焰涂装镀层断裂及大面积断裂。

关键词:阀门;衬套;扭转力;疲劳挠度;火焰涂装

中图分类号:TB31;TG115.2文献标识码:B文章编号:1001-4012(2023)06-0055-04

电网行业用球状球阀对管线内介质的流量控制、开启和闭合起到至关重要的作用,可以实现介质的流通和截至[1]。在机构运动过程中,阀门和喷嘴常年密封旋转,造成两者间存在长时、高频的滑动摩擦作用,并发生刻蚀、磨损、变形等现象,严重影响球阀对介质的调节控制[2]。阀门外表面和喷嘴内表面的硬质镀层表面改性至关重要,火焰涂装形式是通过机械结合作用,最大限度地提高表面的强度和耐磨性[3]。某火电站阀门与导轮旋转纵梁处发生变型和镀层断裂,该阀门碳化物材料为低合金钢。阀门半径为43mm,半圆孔半径为22mm,矩形纵梁处宽度为25mm×17mm(宽度×宽度),火焰涂装涂覆材料为NiCr-Cr3C2。

笔者选用一系列理化检测方式对镀层断裂的原因进行剖析,以避免该类车祸再度发生。

1理化检测

1.1宏观观察

衬套通过圆形纵梁与阀门产生联动,推动阀门在环型阀垫上旋转[4]。低频率、长时间的纵梁和旋转造成轮缘和阀门接触处均发生较显著的变型,阀杆圆形端头发生严重锈蚀,阀门圆形凹槽内部形成严重挤压凹陷。同时,纵梁处覆盖于阀门表层的硬质镀层发生断裂和断裂现象。镀层断裂的阀门、阀杆和阀垫宏观形貌如图1所示。由图1可知:阀门表面涂覆发生较严重的断裂现象,断裂区域主要集中在圆形凹槽长边附近。凹槽内部与导轮纵梁处发生严重变型。断裂的镀层尖角较为鲜明,呈崩断脆性断裂形貌。同时,因为圆形凹槽内不存在因变型而断裂的镀层,可确认该阀门的加工工艺为先进行火焰涂装,再进行方形槽机械加工[5]。

1.2物理成份剖析

选用直读波谱仪对阀门晶粒进行物理成份分析,结果如表1所示,由表1可知:阀门晶粒的物理成份符合GB/T3077—2015《合金结构钢》的要求。

1.3扫描电镜(SEM)剖析

将阀门放在扫描电镜下观察,结果如图2所示。图2a)为轴套和阀门的纵梁处,衬套低频次旋转作用造成该处产生尖角状凹陷[6],旋转产生的挠度导致碳化物发生显著组织串扰和表层氧化层断裂;图2b)为旋转力键入的挠度点区域,挠度键入点附近镀层已全部发生断裂,存在较显著的发散白色,黑色间倾角约为30°,是挠度以点的方式键入基体并在晶粒内扩散的典型形貌,挠度在接触头处早已发散状扩散至镀层内部[7];图2c)为凸缘与阀门旋转铰接处的形貌,因为衬套的旋转作用,衬套渐渐与阀门间产生间隙,随着间隙的减小,接续的低频次旋转会使两者间形成位移,以便使阀门边沿形成显著的金属流变和咬伤形貌;图2d)为凹槽边沿的残留镀层形貌,该残留镀层为先进行火焰涂装,后机械加工凹槽引致,在边沿处产生没有支撑且极易断裂的棱状镀层[8];火焰涂装镀层顺着发散状挠度扩散方向开裂,镀层与晶粒发生剥离,挠度扩充使镀层发生明显延性断裂[见图2e)],开裂扩充方向的逆向延长线焦点即为挠度键入点[9];镀层和晶粒间存在较显著图2镀层断裂阀门的SEM形貌的未刻蚀,是火焰涂装机械结合的典型特点[见图2f)];涂覆在循环疲劳蠕变的作用下,发生波纹状剥离,在晶粒表层有部份镀层残留[见图2g),2h)],同时,在镀层完全断裂区域,才能观察到颗粒状的层间球形脆化相;断裂镀层的断口呈显著的解理特性[见图2i)],内部尖角状组织显著,为低温运行状态下的表层析出,是镀层延性断裂的典型形貌[10];运行后阀门镀层和镀层间析出胶状硫化物,晶粒密集分布于基体表层,观察到的硫化物最大半径约为10μm,平均半径约为6.2μm,析出相平均宽度约为18.7μm,与涂覆长度接近,阻隔了镀层和晶粒间的结合力[见图2j)]。

1.4能谱剖析

对阀门表面原始镀层区域、开裂镀层区域和脱落后的基体区域分别进行能谱剖析,结果如图3所示,镀层表层中Ni元素的品质分数为10%,Cr元素的品质分数为25%~40%,Fe元素的品质分数为0~5%,断裂镀层后边区域的成份与完整镀层表层基本一致,为高硬度且耐磨蚀的高铬镍镀层[11]。阀门基体中Ni的品质分数为0~2%,Cr元素的质量分数为10%~15%,Fe元素的质量分数为20%~30%,说明阀门基体中基本不含Ni元素,为铁基材料。

镀层与基体的物理成份差异较大,阐明该火焰涂装镀层与阀门基体之间基本没有元素迁移,即没有与基体发生液态金属相互渗透,属于机械结合而非冶金结合[12]。镀层和基体间析出的球形析出成分为Fe元素和C元素,为低温运行状态下析出的层间硫化物[13]。

由此可见,基体材料为Ni元素浓度较低的非奥氏体镀锌,火焰涂装镀层为Cr、Ni元素浓度较高的硬质合金,该合金具备较大延性。衬套低频次的运动造成阀门在挠度作用下出现裂缝和剥离[14]。

2综合剖析

综合上述分析可得,球阀基材为低合金钢,火焰涂装镀层为高Cr、Ni元素浓度的NiCr-Cr3C2硬质合金[15]。同时,两者为机械结合状态,镀层和基体属于2个独立部份,并没有基体金属和镀层金属互熔过程造成的元素流动现象,所以二者结合硬度也相较于冶金结合存在巨大差异[16]。

该阀门在机械加工前进行了整球火焰涂装,喷涂完成后进行方形槽加工。依照GB/T3077—2015,基体钢的强度不小于,抗变型能力较低。在轴套低频次往复运动的交变应力作用下,衬套与阀门纵梁面形成循环挠度,所以球阀方形槽内发生显著变型[17-18]。在交变蠕变的循环作用下,表面涂覆产生疲劳源,并失稳扩充,为球阀表面涂覆断裂的直接诱因[18]。

NiCr-Cr3C2镀层属于延性金属基陶瓷涂覆,为金属基陶瓷复合材料,其经热涂装与晶粒机械结合,机械结合硬度约为90MPa,与等离子喷焊和雷射熔覆等冶金结合方式的表面改性硬度相差较大[19]。经交变挠度作用后,镀层容易发生剥离、脱落等现象[20-21]。同时,阀门在约480℃的低温水环境中运行,钢基体与NiCr-Cr3C2镀层间析出以M23C6和M7C3为主的含碳球形相,造成基体和涂层间结合不密切,减缓了剥离效应[22]。

3结语

(1)建议对阀门先进行凹槽的机械加工,再进行火焰涂装,使涂装镀层才能覆盖凹槽内部,保证球阀和轮缘旋转受力点处的强度和抗变型能力。

(2)对阀门进行凹槽机械加工后,按照阀门的变型点确定受力区域,在纵梁面的受力区域进行硬质合金的内孔雷射熔覆改性,以确保纵梁处的强度和抗变型能力。

参考文献:

[1]鹿海洋.多视角冲击下Cr3C2-kNiCr改性镀层的冲刷锈蚀特征及成因研究[D].北京:湖南中学,2022.

[2]孙勇,孙健豪,唐洪奎球阀,等.热涂装用粉末纯化及镀层功耗研究[J].金属加工(热加工),2022(7):58-61.

[3]易松岭.超音速火焰涂装Cr3C2/Fe复合镀层的组织结构及其功耗研究[D].南京:广东工业学院,2021.

[4]国俊丰,夏春阳.热涂装TiC-NiCr镀层的锈蚀行为及成因[J].有色金属安装工程,2021球阀,11(10):48-53.

[5]章友谊.超音速火焰涂装Cr3C2-NiCr镀层和-4Cr镀层的组织与功耗[J].材料保护,2020,53(7):100-104,136.

[6]丁翔,程旭东,丁彰雄,等.超音速火焰涂装微奈米WC-CoCr镀层的功耗与空蚀行为[J].美国有色金属学报,2017,27(8):1679-1686.

[7]KANEKA.ontheof[J].,2019,378:.

[8],,,etal.hardunderoft[J].,2021,14(2):260.

[9]黄瑞,刘汉江,黄宗泽.钢制退火针阀门失效剖析[J].柳钢技术,2021(2):43-47.

[10].,[J].,2017,145:136-143.

[11]王坤,姜鹤明,金克雨,等.阀门表面热涂装镍基合金加强层耐热性的研究[J].山东冶金,2022,44(2):23-27,59.

[12]黄宇生,柏永乐,邱晓来,等.超音速火焰涂装Cr3C2-NiCr镀层功耗及其在金属硬密封阀门上的应用[J].材料保护,2020,53(9):50-55.

[13]陈彦,杭丽娜,张程,等.钛材阀门阀球及喷嘴表面硬化处理的研究[J].焦化机械,2018,45(5):533-537.

[14]车鹏程,邵文柱,程义,等.瞬时过热对高铬镍奥氏体钢破裂和析出相形变的影响成因[J].金属热处理,2021,46(5):235-242.

[15]卢艳东,田洪志.超级双相铸铁阀门磨蚀泄露防治举措[J].发电设备,2021,35(3):177-184.

[16]夏雯,刘淑凤,杜风贞,等.天然喉管道用直通阀门的裂缝成因剖析[J].理化检测(化学分册),2017,53(11):818-821.

[17]黄美林,吴怀敏,王忠渊,等.低温高压耐热阀门的研制[J].管件,2020(6):13-16.

[18]李俊,吕东,张晓忠,等.金属密封阀门的密封功耗机理解读[J].管件,2022(2):123-127.

[19]曹海.耐热阀门在煤直接液化工艺的应用及失效剖析[J].焦化管理,2021(26):178-179,182.

[20]李宪爽.某亚临界锅炉机组末级过热器泄露成因剖析[J].理化检测(化学分册),2019,55(1):56-58.

[21]张成,陆平,张清双,等.金属密封阀门密封面硬化技术的选择[J].通用机械,2015(5):87-88.

[22]郝小虎,赵炜,李建国,等.长输管线阀体内漏失效分析和控制举措[J].全面磨蚀控制,2020,34(7):117-119.

材料与检测网>刊物论文>理化检测－化学分册>59卷>6期(pp:55-58)>

阀门厂家专业针对各类减压阀、球阀、防腐阀门

当前文章标签：球阀,喷涂,应力,火焰,脱落