注水泵出口閥片彈簧失效分析

趙淼，遠繼福，趙省杰(中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116031)

0 引言

渣油加氫裝置高壓注水泵為意大利佩羅尼生產臥式三柱塞高壓泵，型號為PTO190(φ130×205)，設計流量56.4m3/h，曲軸轉速121RPM，介質凈化水。使用過程中出口閥片彈簧服役壽命不理想，維修頻繁，由于進口配件供貨周期長、價格昂貴，裝置于2017年對其進行配件國產化，由于國產彈簧制造工藝不理想，導致彈簧壽命遠低于進口彈簧；裝置在要求供貨廠家改進制造工藝的同時將彈簧材質由316Ti升級為17-7PH，至2020年末，國產彈簧服役壽命已超過進口彈簧。本文將對彈簧配件國產化期間發生的典型斷裂失效問題做簡單分析。

1 注水泵簡介

1.1 壓縮腔

注水泵為意大利佩羅尼生產臥式三柱塞高壓泵，型號為PTO190(φ130×205)，設計流量56.4m3/h，曲軸轉速121RPM，介質凈化水，入口壓力：0.3MPa，出口壓力17MPa。如圖1所示，柱塞向右側運動，入口閥片打開，介質從閥座通路被吸入，柱塞向左側運動，入口閥片關閉，介質被壓縮；當閥座腔內壓力大于排出管路壓力，出口閥片被壓開，介質由排出閥閥體通路排出；當柱塞再次向右運動，出口閥片在彈簧的作用下關閉，進入下一壓縮循環。

圖1 注水泵壓縮腔裝配圖

1.2 出口閥片彈簧

原廠彈簧為等節距螺旋圓柱壓縮彈簧，兩端圈壓緊磨平，彈簧高度58mm，外圈直徑75mm，彈簧絲直徑6mm，材質316Ti；按受沖擊次數分類為Ⅰ類彈簧，有效圈數2，支撐圈數2，符合彈簧設計要求[1]，具體結構如圖2所示。

圖2 原廠出口閥片彈簧

圖3 斷口位置

2 彈簧失效分析

2.1 原廠進口316Ti材質彈簧

2.1.1 斷口分析

取三件斷裂樣品，發現斷口宏觀形態基本一致：斷口位置處于彈簧支撐圈與有效圈交界位置(如圖3所示)，整體呈現疲勞斷口特征。疲勞源位于A處，分別為彈簧內圈以及彈簧有效圈與支撐圈接觸位置，斷口在此處呈現貝紋花樣及放射狀條紋；隨后向彈簧外圈發展至B區過渡區，最后至C區快速斷裂區(如圖4所示)。

圖4 原廠彈簧斷口宏觀形貌

2.1.2 疲勞原因分析

首先分析A2區域。此區域為彈簧有效圈與支撐圈接觸位置，在彈簧壓縮過程中，上下表面將頻繁接觸產生微動疲勞，導致彈簧表面受損(如圖5所示)，進而在此處萌生裂紋源[2,4]。

圖5 彈簧A2處受損外表面

對于A1區域，此區域位于彈簧內側外表面，不與其他彈簧絲表面接觸，懷疑為自身應力較集中區域導致的疲勞裂紋。我們采用有限元分析方法探究此彈簧短壽命位置點以及應力集中區域，為保證準確模擬彈簧結構，建模采用3D掃描形式，100%還原彈簧結構。模擬采用SolidWorks Simulation進行，對彈簧進行一端固定支撐，一端200N垂直力，7.0e+10次沖擊。模擬顯示短壽命周期位置與實際斷裂位置相同(如圖6所示，綠色區域為短壽命區域)，且彈簧絲應力集中于內側表面(如圖7所示，橙色區域為應力集中區域)。對彈簧截面進行受力分析，同樣顯示其危險點存在于彈簧內表面[3]。

圖6 原廠彈簧壽命模擬

圖7 彈簧截面應力分析

結合上述兩項分析，認為原廠進口彈簧斷裂原因主要為彈簧絲表面產生的微動疲勞以及自身結構應力集中區域產生的疲勞引發裂紋，導致彈簧斷裂。由于3件樣品斷裂位置處于同一位置，使用壽命均為60天左右，認為進口彈簧為到壽自然損壞，若想提高其使用壽命需從自身結構、材質入手。

2.2 某國產316L材質彈簧

此批次彈簧在使用中，壽命不足一周，使用中泵運行工況無變化，我們認為是彈簧制造、加工水平不合格導致的短壽命。

2.2.1 外觀分析

我們首先認定其制造工藝存在缺陷。根據GBT 1239—2009《冷卷圓柱螺旋彈簧技術條件》5.8要求：彈簧表面不得有肉眼可見缺陷，檢查此批次彈簧表面，發現存在大量溝壑缺陷，如圖8所示，判斷缺陷應當為鋼絲拉拔工藝不合格導致。根據5.3.7要求：兩端面并緊磨平的支撐圈磨平部分不小于3/4圈，檢查彈簧支承圈表面平面度，大部分可以滿足技術條件要求，但個別產品樣本表面磨平情況極差(如圖9所示)，僅占圓周1/8，且有明顯的多次加工痕跡，并非一次加工磨平。輕微按壓彈簧，彈簧底部隨即翹起，導致整個彈簧受力不均失穩，這種極差的接觸情況將會導致彈簧在運轉中產生額外的彎曲載荷，使彈簧壽命大大縮短[4]。

圖8 某國產彈簧表面缺陷

圖9 某國產彈簧表面磨平情況

圖10 某國產彈簧外觀結構

2.2.2 結構分析

如圖10所示，對比圖2原廠彈簧結構，此批次國產彈簧對外觀結構做出了明顯調整，支撐圈數、有效圈數、節距三項重要指標均發生變化。為驗證結構變化引起的壽命改變，對此彈簧進行3D掃描建模，用SolidWorks Simulation以同樣的工況進行壽命評估。在對圖解進行調整后，模擬結果顯示，進口彈簧短壽命區域中間值為5.36e+5(如圖11所示)，如圖12所示，某國產彈簧短壽命區域中間值為1.6e+5(模擬工況與運轉工況存在偏差，模擬結果僅供對比預期壽命)。在不考慮制造工藝的情況下，某國產彈簧的外觀結構變化將會使彈簧使用壽命下降3倍。

圖11 原產彈簧壽命模擬

2.2.3 材質分析

彈簧要求材質為316L，為常見奧氏體不銹鋼。制造優良的奧氏體不銹鋼應當沒有磁性，但考慮彈簧加工中的拉拔、卷制、熱處理等工藝步驟，將會使晶體結構發生一定變化，生成馬氏體組織，導致彈簧呈現輕微磁性[5]。以磁鐵試探進口彈簧，發現其存在輕微磁性；試探某國產彈簧，發現其存在較強磁性，說明其組織分布存在較多馬氏體，可能對彈簧絲力學性能產生影響。有研究顯示：奧氏體不銹鋼的超長疲勞壽命行為，發現馬氏體含量在27%以下時，可以增強材料的超長壽命疲勞強度，并且其S-N曲線在超高周范圍內出現水平平臺，存在疲勞極限；但含量高于27%之后，材料會出現明顯脆化現象[6]。由于條件所限，筆者無條件對此項進行詳細分析。

綜上三項分析，此批次國產彈簧為多方面制造不合格導致的過早斷裂。

圖12 某國產彈簧壽命模擬

2.3 國產17-7PH材質彈簧

為進一步提高彈簧壽命，車間將彈簧材質升級為17-7PH材質。對比316Ti材質，可將許用切應力、許用彎曲應力由324MPa、533MPa提高至478MPa、785MPa[6]，理論上可以大幅度提高彈簧使用壽命，在實際使用中最長55天未發生故障，強制更換檢查彈簧外觀依舊良好，基本接近原廠彈簧壽命。但在使用中出現過短壽命不足1周的情況，下文對此特殊情況進行簡要分析。

2.3.1 斷口分析

由圖13、14觀察，斷口基本呈現脆性斷裂特征，光學顯微鏡觀察細節，存在疲勞斷裂特征，裂紋源位于底部，自下而上發展，至上部粗糙部分為快斷區。此批次彈簧外觀結構與原廠彈簧基本相同，切斷裂位置亦與原廠彈簧相同，認為是疲勞斷裂，但斷口呈現出的脆性斷裂特征不符合韌性材料疲勞斷裂特征。

圖13 17-7PH彈簧斷口宏觀

圖14 17-7PH彈簧斷口光學微觀

2.3.2 材料分析

17-7PH為奧氏體-馬氏體半沉淀硬化不銹鋼，由18-8系奧氏體不銹鋼添加適量鋁元素發展而來，由于其具有更好的強度、硬度、抗疲勞耐腐蝕等特點，是一種優良的不銹鋼彈簧絲材質。但查詢資料表明，此材質從發明到作為彈簧鋼成熟使用經歷了20余年的研發過程，其主要難點在于，固溶處理過程中相變要求苛刻，需嚴格控制相變；鋼絲拉拔生產過程中，由于其結構內存在較多馬氏體，使彈簧絲應力裂紋傾向較大，對制造工藝要求嚴格[7]。

另外，此材質在冶煉過程中對于鋁元素的含量要求極為敏感。標準要求鋁含量為0.5wt%～1.5wt%，有研究顯示：當鋁含量進一步提高至2.0wt%，材質的屈服強度略有降低，抗拉強度有所提高；而當鋁含量持續增加至大于2.5wt%，材質的屈服強度、抗拉強度將突然下降，分別由1037MPa、1351MPa下降至599MPa、692MPa，材料由韌性材料轉變為脆性材料[8]。除了嚴格控制冶煉過程中加入的鋁元素比例，若冷卻過程中出現元素偏析，同樣會造成鋁元素聚集，導致材料出現性能缺陷。因條件所限，筆者未能對此處斷口做電鏡掃描分析以及元素分布分析，不能拿到直接有力證據。

綜上，我們認為此次偶發短壽命為彈簧絲生產過程中工藝缺陷導致。

3 結語

出口閥片彈簧作為往復泵重要組件看似結構簡單，但影響其壽命的因素眾多，應當在制造、驗收環節加以管控：

(1)彈簧應力集中于鋼絲表面，且內圈表面應力大于外圈表面。在對彈簧制造中，應要求廠家做噴丸處理，以提高其許用切應力；

(2)在產品驗收過程中，需首要檢查其外表面做工，國標中明確要求不得存在肉眼可見缺陷；對于17-7PH一類帶磁性材料，推薦做磁粉檢測，以精確檢查其外表面及淺表面是否存在缺陷；

(3)要求廠家不得隨意對彈簧外觀結構進行變更；

(4)要求廠家選用優質鋼絲供應商。