高爐下密封閥油缸拉桿失效分析與改進

徐博明

（青島特殊鋼鐵有限公司裝備部，山東青島 266400）

0 引言

高爐密封閥用來對料罐進行煤氣密封，上、下密封閥分別安裝在料罐的上、下兩端，通過上、下密封閥的交替啟閉，保證高爐爐頂壓力穩定，上、下密封閥均為液壓缸驅動[1]。公司下密封閥驅動液壓缸為空心液壓缸，通過空心液壓缸驅動拉桿，帶動閥門啟閉。在正常使用情況下出現拉桿斷裂現象，高爐被迫休風，為保證高爐穩定運行，分析拉桿的失效原因具有重要意義。

1 理化分析

1.1 拉桿外觀形貌分析

拉桿已經斷裂成兩部分，斷裂位置為焊縫區，如圖1 所示。

圖1 拉桿斷裂接縫外觀

（1）斷口宏觀分析。拉桿的宏觀形貌見圖2，其斷裂表面起伏明顯，斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口附近沒有徑縮現象，斷口與正應力垂直，斷口表面較平齊，邊緣沒有剪切唇。斷口顏色較灰暗，呈規程的粗糙表面，表明斷口是晶界脆性斷口，可能是回火脆性斷裂、氫脆、應力腐蝕、淬裂，判斷為熱處理不當所致[2]。

（2）結構分析。因該拉桿為非標設計，涉及商業保護，現場采用測繪方式，還原接頭結構。沿軸向進行剖分，結合斷面結構，對拉桿AB 兩部分的連接方式進行還原，如圖3 所示。工件A 的孔深為11.5 mm，工件B 的臺高9 mm，從圖3 中可看出兩工件的配合為軸端定位。

圖2 斷裂面宏觀金相

根據GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》，A、B 兩工件接縫處應留有鈍邊，鈍邊高度以3 mm 為宜，焊縫厚度應為10 mm。實際還原后焊接接頭結構無鈍邊，焊縫金屬厚度僅為6 mm，不符合焊接設計規范。

1.2 化學成分分析

利用帶鋸在拉桿斷裂界面進行取樣，用平面磨床進行磨光，采用ARL4460 光譜儀進行檢測。拉桿本體的化學成分：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%。可以看出其各項成分均滿足GB/T 699—1999《優質碳素結構鋼》對45#鋼成分的要求。

斷口表面化學成分分析結果：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%。各項成分滿足國標對25#鋼的要求。

圖3 A、B 工件焊接接頭示意

1.3 硬度分析

將磨拋的斷面和拉桿本體，采用HR-150D 型硬度計從拉桿外邊緣0.5 mm 處向心部進行檢測，檢測結果見表1。從表1可以看出，拉桿本體的硬度值基本沒有變化，硬度平均值為86.45 HRB，轉換為布氏硬度值為169 HB，根據GB/T 699—1999，硬度值小于197 HB 為退火鋼，說明拉桿本體為退火鋼。斷面處硬度值變化較大，切硬度較低，硬度平均值為72.03 HRB，轉換為布氏硬度平均值為116 HB，根據GB/T 699—1999，說明接頭焊后未進行退火熱處理。

1.4 顯微組織分析

利用帶鋸機在斷口沿拉桿徑向取樣，拋光、腐蝕后，采用金相顯微鏡進行顯微組織觀察，如圖4 所示。

根據拉桿和焊口處調質熱處理條件，拉桿本體及焊口的顯微組織應為回火索氏體，實際圖中顯示為網狀半網狀鐵素體和珠光體組織。因此判斷該拉桿沒有經過調質處理[3]，證實了1.3 中的分析。

表1 硬度檢測結果

圖4 拉桿斷口處顯微組織

1.5 斷口微觀形貌分析

考慮成像效果，選用B 側斷面進行分析，用95%酒精超聲清洗后，用掃描電鏡進行觀測，按照圖5 所示劃分為8 個區域。圖5中區域1 內側母材上方（區域1 方框位置），顯微形貌如圖6 所示，掃描電鏡的打點分析結果如圖7 所示。可判定出該位置有明顯的焊接時留下的高Ca、Si、S 夾雜物，該現象是焊條電弧焊初始焊接位置的常見質量缺陷[4]。結合1.2 的成分分析結果，說明兩個工件對接焊采用的是焊條電弧焊，選用的焊條為J422。

區域1、2 分別放大到34 倍、148 倍后的形貌如圖8 顯示，可以發現裂紋擴展的方向是從內圈向外圈裂開，圖中箭頭示意方向為裂紋擴展方向。

圖5 顯微區域劃分

圖6 區域1 斷面顯微形貌

圖7 區域1 掃描電鏡成分分析

區域1、2、3、7、8 斷面顯微形貌類似，均有沿晶和穿晶斷裂，且有明顯韌窩。以區域3 為例，放大到1950 倍和524 倍的斷面顯微形貌如圖9 所示，可判斷出這幾個區域的斷裂方式為韌性斷裂[5]。

圖8 區域1、2 斷面顯微形貌

圖9 區域3 斷面顯微形貌

區域4 放大646 倍、區域6 放大1090 倍的斷面顯微形貌如圖10、圖11 所示，區域5 的斷面顯微形貌如圖12 所示。從圖12中可見，區域4、5、6 斷面顯微形貌圖中氣孔夾雜物較多，其中區域5 較明顯，晶界清晰可見，破壞形式以沿晶斷裂為主，少量解理斷裂，表現為明顯的脆性斷裂。

圖10 區域4 斷面顯微形貌

圖11 區域6 斷面顯微形貌

圖12 區域5 斷面顯微形貌

通過掃描電鏡形貌分析可看出，區域5 表現為脆性斷裂，區域4、6 脆性韌性斷裂共存，區域1、2、3、7、8 主要表現為韌性斷裂。根據機械零件的失效規律，同一工件存在脆性斷裂和韌性斷裂共存時一般先出現脆性斷裂后開始韌性斷裂[6]。根據分析結果，可以確定拉桿斷面的失效路徑分別延5→4→3→2→1、5→6→7→8→9 兩條路徑從內環到外環方向撕裂。

區域5 位置存在較多的氣泡和雜質，該現象是焊條電弧焊焊接質量缺陷的常見現象。綜合分析，本次拉桿失效的主要原因是拉桿焊接質量問題[4]。

2 分析與討論

從上述分析可知，拉桿的化學成分符合要求，兩件相焊的焊材選擇標準偏低；拉桿裝配在最薄弱的焊接接頭處定位，導致焊接接頭失效；拉桿焊接接頭斷面組織為網狀半網狀鐵素體和珠光體，與理論上焊后調制熱處理的金相組織回火索氏體不符，說明拉桿焊后未進行熱處理；軸或桿的焊接一般采用手工鎢極氬弧焊，實際選用焊條電弧焊；焊縫裂開的主要原因是5 號區域焊接時引入了較多雜質、氣孔，導致出現脆性斷裂，進而擴展到整個焊接接頭。綜合分析，導致本次拉桿失效的原因如下。

（1）焊接接口設計不符合焊接設計規范。

（2）焊接工藝不符合通常軸類工件焊接的工藝要求。

（3）焊后未進行熱處理。

（4）存在明顯的焊接質量問題。

其中，焊接質量缺陷是本次拉桿失效的直接原因。

3 改進措施

圖13 改造后的零件

通過下閥箱拉桿失效分析，從以下3 方面進行改進。

（1）按焊接規范重新進行設計，改變工件定位方式，選用凸臺進行定位，凸臺的直徑減小，零件圖見圖13。

（2）接頭焊接采用手工鎢極氬弧焊，焊材選用ER70S 氬弧焊絲。

（3）焊接完成后，先后進行退火和調制熱處理。

改造后的拉桿上線使用6 個月以來，未出現問題，使用情況良好。