某火電機組三連桿恒力彈簧支吊架彈簧拉桿斷裂原因

劉 明，白 佳，王 魯，房璐璐，丁喬峰

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

恒力彈簧支吊架廣泛應用于電力、化工行業，主要用于管道及設備結構的承載，其主要特點是在設計位移范圍內，恒力彈簧支吊架的輸出載荷始終保持恒定或限制在一定范圍內變動，從而不會給管道及設備帶來附加應力。目前常見的三連桿式、四連桿式恒力彈簧支吊架主要根據力矩平衡原理進行設計，使得恒力彈簧支吊架輸出載荷在整個位移行程中滿足恒定性要求[1]。恒力彈簧支吊架的工作性能會明顯影響管道結構的受力情況，關系到管道的安全穩定運行[2]。恒力彈簧支吊架內部構件失效，如載荷吊桿斷裂[3-4]、生根吊桿斷裂[5]、連桿機構斷裂[6]等，均可能會直接導致吊架完全失載，因此對恒力彈簧支吊架內部結構開展失效分析具有一定的實際應用價值。

某300 MW火電機組在運行過程中，鍋爐頂棚管一組型號為LHE48-130/53488S-M36的三連桿力矩平衡式恒力彈簧支吊架承載機構突然發生脫落失效，經檢查后發現，其內部彈簧拉桿構件發生斷裂。斷裂彈簧拉桿材料為45鋼，經850 ℃正火處理。在斷裂前的歷次外觀檢查過程中，恒力彈簧支吊架冷熱態指示均正常。斷裂發生時，該恒力彈簧支吊架已投入使用11 a，未超過設計壽命。為了找到該彈簧拉桿的斷裂原因，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，彈簧拉桿的斷裂位置位于螺紋加工退刀端第一個螺紋牙根部。斷裂彈簧拉桿桿徑為36 mm。

圖1 斷裂彈簧拉桿的宏觀形貌

由圖2可以看出：彈簧拉桿斷口表面較為平整，斷面與拉桿軸向基本垂直，呈正斷斷口形態；裂紋源位于第一個螺紋牙根部，為單一裂紋源；裂紋擴展區具有明顯的疲勞弧線，但該疲勞弧線并不是呈典型的以裂紋源為中心、與裂紋擴展方向垂直的半圓形或扇形弧形線形態，而是呈試樣表面存在中等或尖銳缺口時的疲勞弧線形態[7]，初步判斷該彈簧拉桿承受了彎曲載荷；彈簧拉桿瞬斷區表面粗糙，存在一定的塑性變形。斷裂彈簧拉桿的裂紋擴展區約占整個斷口面積的50%，瞬斷區約占整個斷口面積的40%，這說明在正常狀態下，該彈簧拉桿的整體應力余量較大。

圖2 彈簧拉桿斷口的宏觀形貌

1.2 化學成分

采用ARL8860型直讀式光譜儀對斷裂彈簧拉桿進行化學成分分析，結果見表1。由表1可知，該彈簧拉桿的化學成分滿足GB/T 699-2015中對45鋼的成分要求。

表1 斷裂彈簧拉桿的化學成分

1.3 顯微組織

采用線切割法在斷裂彈簧拉桿的橫截面心部位置截取金相試樣，經打磨、拋光，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕5 s后，采用DMI5000M型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可知，彈簧拉桿的顯微組織為鐵素體+珠光體，表現為典型的非調質45鋼組織。非調質45鋼的強度及疲勞性能均低于調質45鋼[8]。

圖3 斷裂彈簧拉桿的顯微組織

1.4 斷口形貌

用酒精配合超聲波清洗彈簧拉桿斷口后，采用Tescan VEGA 3 LMU型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口不同區域的微觀形貌。由圖4可知：裂紋源區位于螺紋牙根部，存在韌性撕裂痕跡及韌窩，呈韌性斷裂特征；裂紋擴展區具有河流花樣，呈解理斷裂特征，為脆性斷裂，且局部存在細小疲勞輝紋；瞬斷區具有河流花樣及撕裂棱，呈準解理斷裂特征。該彈簧拉桿發生低應力高周疲勞斷裂。

圖4 彈簧拉桿的斷口微觀形貌

1.5 力學性能

按照GB/T 228.1-2010，采用線切割法沿軸向在斷裂彈簧拉桿上截取3組標準拉伸試樣，標距為100 mm，采用CMT5605型電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為18 mm·min-1。按照GB/T 229-2020，采用線切割法沿軸向在斷裂彈簧拉桿上截取尺寸為10 mm× 10 mm×55 mm的U型缺口沖擊試樣，采用ZBC3302-A型沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗。采用HT-2000a型里氏硬度計進行硬度測試。力學性能測試結果如表2所示，均符合GB/T 699-2015中的相關要求。

表2 斷裂彈簧拉桿的力學性能

2 結構受力分析

2.1 恒力彈簧支吊架結構

三連桿力矩平衡式恒力彈簧支吊架結構如圖5所示，該恒力彈簧支吊架按照JB/T 8130.1-1999制造，其中彈簧拉桿一端連接回轉框機構，一端通過壓板鎖定螺旋彈簧，斷裂位置位于回轉框連桿結構的連接端。圖中：O點為整個恒力彈簧支吊架回轉框機構的旋轉中心；P點為吊架輸出載荷作用點；OP為旋轉臂；C點為彈簧筒體支撐點中心；A點為彈簧力作用于銷軸的中心點；OA為回轉臂；G為吊架輸出載荷；F為彈簧的彈力。

圖5 三連桿恒力彈簧支吊架結構及其內部彈簧拉桿結構示意

在吊架位移行程中，輸出載荷G和彈力F在O點產生的力矩平衡，即

G·|OP|sinα=F·|OB|

(1)

由胡克定律及三角形面積公式可得

(2)

式中：k為彈簧剛度；δ為彈簧壓縮量；α,β為圖5中所示的夾角。

在恒力彈簧支吊架結構設計時，需滿足α=β、δ=|AC|，則式(2)可簡化為

(3)

式(3)中各分量均在初始設計制造時固定，且不會在恒力彈簧支吊架運行過程中發生改變，因此理論上該結構可以實現吊架輸出載荷恒定。在運行過程中，恒力彈簧支吊架結構需要保證C點位置不變且始終處于彈簧的彈力作用線上，即要求在回轉框機構轉動過程中，彈簧筒體及外框板跟隨擺動，使C點始終處于彈簧筒體中心位置，若彈簧筒體及外框板擺動受阻，則彈簧拉桿作用力會與彈簧軸線產生偏角，影響恒力彈簧支吊架的恒定度，且彈簧拉桿螺紋固定端會受到附加彎矩作用。

對于該斷裂失效恒力彈簧支吊架，式(2)中的各分量取值如下：G=53 488 N；k=145.39 N·mm-1；|OP|=130 mm；|OA|=160 mm；|OC|=298.9 mm；δ=269 mm；α=26°。考慮彈簧在運行過程中的擺動[9]，彈簧彈力及吊架豎直向運行位移表達式為

(4)

s=|OP|sinα-|OP|sin (α-θ)

(5)

式中：s為吊架豎直向運行位移；θ為旋轉臂OP向下轉動的角度。

綜合式(4)、式(5)可以得到彈簧彈力隨吊架位移行程的變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨著吊架位移下行，彈簧不斷被壓縮，彈簧彈力與吊架豎直向位移之間呈線性增長關系，吊架上極限行程處(指示刻度0)彈力最小，為39 110 N，吊架下極限行程處(指示刻度10)彈力最大，為62 372 N。

圖6 彈簧彈力隨恒力彈簧支吊架位移的變化曲線

2.2 彈簧拉桿螺紋結構

彈簧拉桿按照GB/T 17116.1-2018制造，采用M36×4標準粗牙螺紋，斷裂位置處的螺紋布置情況如圖7所示，螺紋牙型及尺寸符合GB/T 192-2003規定，整個螺紋段的長度約40 mm，與螺母及扁螺母兩者相加的厚度基本一致，在安裝狀態下螺母已旋合至螺紋盡頭，實際斷裂位置位于螺紋退刀端第一圈螺紋牙根部，即螺母接觸咬合承力的第一圈螺紋牙根處，該處一般受力最大、最易斷裂[10-11]。

圖7 彈簧拉桿斷裂位置處的螺紋布置及詳細螺紋尺寸

2.3 有限元模擬

有限元方法廣泛應用于螺栓螺紋結構的受力仿真分析，針對螺栓結構的軸對稱特點，常采用三維實體模型或二維軸對稱模型進行建模[12-13]。彈簧拉桿主要承受彈簧的軸向拉力，因此建立軸對稱彈簧拉桿-螺母聯合模型，對拉桿與螺母間進行接觸分析計算，接觸面設置為剛性、無滑移狀態，采用四邊形單元，螺紋結合面附近單元加密，單元邊長為0.2 mm。結合該彈簧拉桿的室溫工作環境，將拉伸試驗所得的應力-應變曲線數據輸入到計算軟件中作為材料參數。針對彈簧拉桿只承受彈簧拉力的工況，將螺母內側端面施加法向約束，拉桿另一側端面施加法向拉力61.3 MPa(最大彈力62 372 N除以φ36 mm彈簧拉桿截面積)。

由圖8可知：螺母接觸咬合的第一圈螺紋應力水平相對較高，螺紋牙根部小范圍區域內存在顯著的應力集中，最大Von Mises應力達到285.9 MPa；整個拉桿橫截面的平均應力水平不高，僅在50 MPa左右，這與前文分析的低應力高周疲勞斷裂情況相符。

圖8 斷裂彈簧拉桿的Von Mises應力分布云圖

根據文獻[14]可知，螺母咬合接觸的前3個螺紋牙承受的應力較大。圖9給出了斷裂彈簧螺桿前4個螺紋牙根部所在橫截面沿圖8中所示路徑的應力變化情況。由圖9可知，在承受軸向拉力情況下，第1個螺紋牙根部應力集中區位于近表面1 mm以內，應力集中處的Von Mises應力達到截面平均應力的5倍以上；第2～4個螺紋牙根部的應力集中區位于近表面0.5 mm以內，應力集中處的Von Mises應力為截面平均應力的1.5～2.5倍；第1～4個螺紋牙根部的Von Mises應力依次減小。

圖9 斷裂彈簧拉桿前4個螺紋牙根部所在橫截面沿圖8中所示路徑的Von Mises應力變化曲線

3 斷裂原因分析

由上述理化檢驗結果可知，彈簧拉桿的化學成分符合標準要求，顯微組織為鐵素體+珠光體，表現為非調質45鋼組織，抗拉強度、沖擊韌性、硬度等力學性能均符合標準要求。彈簧拉桿斷裂于螺紋加工退刀端第一個螺紋牙根部

該彈簧拉桿斷裂端的螺紋長度較短，且螺紋車加工時的退刀段很短，安裝時螺母旋合至螺紋盡頭，螺紋退刀段與咬合承力的第一個螺紋牙重合，導致此處產生應力集中，造成局部區域應力超標，這是裂紋源位于第一個螺紋牙根部的根本原因。

由于制造工藝及現場安裝存在問題，該三連桿恒力彈簧支吊架在運行時，整個位移行程中彈簧殼體擺動受阻，使得彈簧拉桿偏離彈簧中心軸線，彈簧拉桿的螺紋截面承受了一定的彎曲載荷。另外，該恒力彈簧支吊架所承載的管道在運行過程中存在一定的低頻振動，傳導至彈簧拉桿上產生了附加交變應力。在軸向拉力、彎曲載荷的共同作用下，加上振動引起的附加交變應力，疲勞裂紋不斷擴展，最終彈簧拉桿發生低應力高周疲勞斷裂。

4 結論與建議

(1) 彈簧拉桿螺紋加工長度不足及表面加工缺陷使其在第一個螺紋牙根部產生應力集中，從而在此處形成裂紋源；三連桿恒力彈簧支吊架在運行過程中，其內部彈簧拉桿發生偏斜，承受附加彎矩，且其承載管道在運行過程中的低頻振動使彈簧拉桿產生附加交變應力，在軸向拉力、彎曲載荷及附加交變應力的共同作用下，彈簧拉桿發生低應力高周疲勞斷裂。

(2) 為避免類似事故的再次發生，彈簧拉桿兩端采用螺紋固定時應加工出足夠長度，避免螺母旋合至螺紋盡頭；使用四連桿恒力彈簧支吊架或采取有效措施解決三連桿恒力彈簧支吊架彈簧拉桿的偏斜問題；彈簧拉桿材料建議選用疲勞性能更好的調質態45鋼。