某燃機余熱鍋爐給水泵泵軸開裂原因

谷樹超,張祎俊,丁憲飛,李 俊,倪燚鋒,王駕鶴

(1.上海明華電力科技有限公司,上海 200090;2.上海長興島熱電有限責任公司,上海 201913)

05Cr17Ni4Cu4Nb馬氏體不銹鋼是在Cr17型不銹鋼基礎上，加入Cu，Nb等合金元素研制出的一種新型普通馬氏體不銹鋼，其耐腐蝕性和可焊性均優于常規馬氏體型不銹鋼，廣泛用于有耐弱酸、弱堿腐蝕和高強度要求的緊固件和傳動裝置等零件[1]。05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的熱處理方式為固溶處理+時效處理，通過調整時效處理溫度、增加熱處理環節可以得到理想的顯微組織，從而提高材料的塑性、強度和韌性[2]。05Cr17Ni4Cu4Nb鋼合金部件發生開裂或斷裂的主要形式有：緊固螺釘因預緊力產生的疲勞斷裂[3]、不銹鋼拉桿的應力腐蝕開裂[4]、電廠設備轉動軸的多源疲勞斷裂[5]、電阻應變式力傳感器的氫致延遲開裂[6]、電作動器殼體低溫環境下因時效溫度不當產生的開裂[7]以及重量模型前吊掛因應力集中而產生的疲勞斷裂[8]等。

某燃機余熱鍋爐給水泵泵軸在運行過程中發生開裂，泵軸已累計運行約3 633 h，啟停次數約279次。泵軸材料為05Cr17Ni4Cu4Nb馬氏體不銹鋼。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、斷口分析、金相檢驗、力學性能測試等方法，對泵軸開裂的原因進行了分析，以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1 開裂泵軸的宏觀形貌

開裂泵軸的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：泵軸整體長度約為3 m，泵軸表面未見明顯腐蝕跡象；泵軸主裂紋位于末級葉輪外端面處，裂紋位置軸徑約為110 mm，裂紋附近未見明顯塑性變形；裂紋較為筆直，沿軸徑環向擴展，裂紋長度為沿軸體約2/3周長。

1.2 化學成分分析

按照GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發射光譜分析方法(常規法)》，使用SPECTRO MAXx型全定量金屬元素分析儀對泵軸材料進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知，泵軸的化學成分滿足GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》對05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的要求。

表1 泵軸的化學成分分析結果 %

圖3 斷口的SEM形貌

1.3 斷口分析

1.3.1 宏觀分析

將開裂泵軸沿裂紋分開，斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可見：泵軸斷面整體較為平坦，呈黑灰色，斷面“6點鐘”部位的粗糙區域呈銀灰色，為人工斷口所致；斷面擴展區可見由“12點鐘”方向起始的弧形海灘狀擴展花樣，“12點鐘”方向斷面邊緣可見多個徑向分布的起始臺階，表明泵軸開裂與應力集中有關。

圖2 斷口的宏觀形貌

1.3.2 微觀分析

斷口經清洗后，用掃描電鏡(SEM)進行觀察，結果如圖3所示。由圖3可見：泵軸外表面約150 μm范圍內，顏色與基體有明顯差別，說明存在鍍層，厚度約為0.16 mm，鍍層在斷面起始區起伏較大，靠近邊緣處有多個起始臺階分布，并可見由表面起始、由上向下擴展的弧形條紋，鍍層呈現沿晶脆性開裂特征；近起始區基體外表面有一凹坑，凹坑內物質顏色與基體亦有明顯區別，未見明顯擠壓痕跡，此部位的鍍層可見有沿晶脆性開裂特征，并有與斷口平行分布的二次裂紋，凹坑周邊可見有多條同源狀弧形分布的微裂紋，說明此處有較為嚴重的應力集中；擴展區可見在準解理花樣上有與擴展方向垂直分布的疲勞推進條紋和二次裂紋，斷面終斷區較為粗糙，并呈現韌窩+解理形貌特征。綜上可知，泵軸發生了多源啟動疲勞擴展開裂，而疲勞開裂的誘發與外表面局部區域異常損傷有關。

由能譜分析結果可知，鍍層和凹坑內主要含有鉻元素，說明泵軸有鍍鉻層，且在實施鍍鉻工藝之前泵軸就已有凹坑。

1.4 金相檢驗

按照DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗與評定技術導則》，在泵軸上取樣并進行研磨、拋光，然后使用FeCl3鹽酸水溶液腐蝕，并用Axio Oberver.D1m型倒置萬能材料顯微鏡進行金相檢驗，結果如圖4所示。由圖4可知：鍍層正常區域與基體結合良好，但局部區域可見明顯凹坑，凹坑深度約為0.44 mm(從鍍層外表面到凹坑底部)，這與斷面的SEM形貌特征一致；泵軸基體組織為板條馬氏體+δ鐵素體，其中δ鐵素體在橫截面大致呈島狀分布，在軸向截面呈條帶狀分布，局部區域含量約為50%。根據GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》，05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的正常組織為均勻馬氏體，允許存在較少的δ鐵素體，含量不超過5%，局部最嚴重區域不超過10%[9]。δ鐵素體為脆性相[10]，含量過高會導致材料脆性變大，易成為在服役、熱變形過程中的開裂源。

圖4 泵軸的顯微組織形貌

1.5 力學性能和硬度測試

按照GB/T 231.1—2018 《金屬布氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》，利用布洛維臺式硬度計對泵軸進行硬度測試。按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，使用微機控制電子萬能試驗機對泵軸進行拉伸試驗。依據GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，使用SANS ZBC2302-B型沖擊試驗機對泵軸進行沖擊試驗。所有力學性能和硬度測試均設計3組平行試樣。泵軸的力學性能和硬度測試結果如表2所示。

GB/T 1220—2007對05Cr17Ni4Cu4Nb鋼有4組推薦熱處理工藝，每組熱處理工藝及對應的力學性能要求如表2所示。對于沉淀硬化型鋼來說，熱處理工藝未注明時，力學性能按第1組熱處理方式(480 ℃ 時效)要求執行。根據《火力發電廠金屬材料手冊》，05Cr17Ni4Cu4Nb鋼在不同熱處理工藝下的沖擊韌性如表2所示。由表2可知：泵軸的屈服強度和抗拉強度均不符合GB/T 1220—2007的要求，泵軸沖擊韌性低于所有給出熱處理工藝參數下的沖擊韌性。

表2 泵軸的力學性能和硬度測試結果

泵軸拉伸和沖擊斷口的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：拉伸斷口由纖維區、放射區和剪切唇區組成，每個區域沿半徑擴展方向大致均等，放射區斷口起伏較大，放射源也較為粗大，說明撕裂時的塑性變形較大[11]；沖擊斷口較為平齊，纖維區和剪切唇區的相對面積較小，中間放射區韌窩寬而淺，為準解理+韌窩脆性斷裂，說明材料的沖擊韌性不高，這與以往相關文獻報道一致[12]。

圖5 泵軸拉伸和沖擊斷口的微觀形貌

2 綜合分析

由宏觀觀察結果可知，泵軸斷面及附近未見明顯的塑性變形，泵軸呈現脆性斷裂特征。由化學成分分析結果可知，泵軸的化學成分無異常。由斷口分析結果可知，泵軸外表面有鍍鉻層，鍍層厚度約為0.16 mm，并且在實施鍍鉻工藝之前，泵軸外表面(近斷口起始端)就已有凹坑，凹坑深度約為0.44 mm。泵軸表面可見加工缺陷，結合斷口特征，確定泵軸發生了多源啟動疲勞擴展開裂。由金相檢驗結果可知，泵軸組織中含有大量條帶狀分布的δ鐵素體，局部區域含量可達50%，超過了05Cr17Ni4Cu4Nb鋼中δ鐵素體含量允許的上限。δ鐵素體為富鉻的脆性相，自身硬度低于馬氏體基體硬度，鐵素體-馬氏體界面破壞了材料基體連續性，產生了較大的組織內應力和熱應力，導致泵軸誘發微裂紋。δ鐵素體沿變形流線方向分布會使材料的沖擊韌性降低，且泵軸基體表面的加工缺陷處產生了應力集中，最終導致泵軸發生開裂。

3 結論及建議

(1) 泵軸開裂的主要原因為：泵軸基體的顯微組織中含有大量高溫δ鐵素體，局部區域含量可達50%，使泵軸的沖擊韌性大幅度降低，泵軸表面缺陷進一步加劇了應力集中，促使了微裂紋的形成和擴展，最終導致泵軸發生開裂。

(2) 泵軸應加強材料入庫管理制度和金屬監督管理工作，定期監控關鍵承壓部件的使用狀態，做好隱患排查工作。