摘 要:某球閥與閥桿鉸接旋轉運動處發生明顯變形,導致該處表面的火焰噴涂涂層發生大面 積脫落。采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡及能譜分析等方法對涂層脫落的原因進行分析, 結果表明:閥桿通過鉸接帶動球閥旋轉,球閥在旋轉過程中進行高頻次、周期性的運動,交變應力導 致球閥基體發生蠕變變形,變形后的基體使脆性的火焰噴涂涂層碎裂及大面積脫落。
關鍵詞:球閥;閥桿;扭轉力;疲勞應力;火焰噴涂
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)06-0055-04
電力行業用球形閥門對管道內介質的流量控 制、開啟和閉合起到至關重要的作用,可以實現介質 的流通和截止[1]。在機構運動過程中,球閥和閥座 長期密封旋轉,導致二者間存在長時、高頻的滑動摩 擦作用,并發生減薄、磨損、變形等現象,嚴重影響球 閥對介質的調節控制[2]。球閥外表面和閥座內表面 的硬質涂層表面改性至關重要,火焰噴涂方式是通 過機械結合作用,最大限度地提升表面的硬度和耐 磨性[3]。某火電廠球閥與閥桿旋轉鉸接處發生變形 和涂層脫落,該球閥基體材料為12Cr1MoV 低合金 鋼。球閥直徑為43mm,圓形孔直徑為22mm,矩 形鉸接處尺寸為25mm×17mm(長度×寬度),火 焰噴涂涂層材料為 NiCr-Cr3C2。
筆者采用一系列理化檢驗方法對涂層脫落的原 因進行分析,以防止該類事故再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
閥桿通過矩形鉸接與球閥形成聯動,帶動球閥 在環形閥墊上旋轉[4]。高頻率、長時間的鉸接和旋 轉導致閥桿和球閥接觸處均發生較明顯的變形,閥 桿矩形端頭發生嚴重磨損,球閥矩形凹槽內部產生 嚴重擠壓凹坑。同時,鉸接處覆蓋于球閥表層的硬 質涂層發生碎裂和脫落現象。涂層脫落的球閥、閥桿和閥墊宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:球閥 表面涂層發生較嚴重的碎裂現象,碎裂區域主要集 中在矩形凹槽長邊附近。凹槽內部與閥桿鉸接處發 生嚴重變形。碎裂的涂層尖角較為鮮明,呈崩斷脆 性開裂形貌。同時,由于矩形凹槽內不存在因變形 而碎裂的涂層,可確認該球閥的加工工藝為先進行 火焰噴涂,再進行矩形槽機械加工[5]。
1.2 化學成分分析
采用直讀光譜儀對球閥基體進行化學成分分 析,結果如表1所示,由表1可知:球閥基體的化學 成分符合GB/T3077—2015《合金結構鋼》的要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)分析
將球閥置于掃描電鏡下觀察,結果如圖2所示。 圖2a)為閥桿和球閥的鉸接處,閥桿高頻次旋轉作 用導致該處形成尖角狀凹坑[6],旋轉形成的應力導 致基體發生明顯組織畸變和表層氧化層碎裂;圖 2b)為旋轉力輸入的應力點區域,應力輸入點附近 涂層已全部發生脫落,存在較明顯的發散條紋,條紋 間夾角約為30°,是應力以點的形式輸入基材并在 基體內擴散的典型形貌,應力在接觸點處已經發散 狀擴散至基體內部[7];圖2c)為閥桿與球閥旋轉鉸 接處的形貌,由于閥桿的旋轉作用,閥桿逐漸與球閥 間形成間隙,隨著間隙的增大,接續的高頻次旋轉會 使二者間產生位移,從而使球閥邊緣產生明顯的金 屬流變和劃傷形貌;圖2d)為凹槽邊緣的殘留涂層 形貌,該殘留涂層為先進行火焰噴涂,后機械加工凹 槽所致,在邊緣處形成沒有支撐且極易脫落的棱狀涂層[8];火焰噴涂涂層沿著發散狀應力擴散方向開 裂,涂層與基體發生剝離,應力擴展使涂層發生顯著 脆性開裂[見圖2e)],裂紋擴展方向的反向延長線 焦點即為應力輸入點[9];涂層和基體間存在較明顯 圖2 涂層脫落球閥的SEM 形貌 的未熔合,是火焰噴涂機械結合的典型特征[見圖 2f)];涂層在循環疲勞應力的作用下,發生波紋狀剝 離,在基體表層有部分涂層殘留[見圖2g),2h)],同 時,在涂層完全脫落區域,能夠觀察到顆粒狀的層間 球狀脆化相;碎裂涂層的斷口呈明顯的解理特征[見 圖2i)],內部尖角狀組織明顯,為高溫運行狀態下的 表層析出,是涂層脆性開裂的典型形貌[10];運行后 球閥基體和涂層間析出球狀碳化物,碳化物密集分 布于基材表層,觀察到的碳化物最大直徑約為10 μm,平均直徑約為6.2μm,析出相平均間距約為 18.7μm,與涂層厚度接近,阻隔了涂層和基體間的結合力[見圖2j)]。
1.4 能譜分析
對球閥表面原始涂層區域、開裂涂層區域和脫 落后的基材區域分別進行能譜分析,結果如圖3所 示,涂層表層中 Ni元素的質量分數為10%,Cr元 素的質量分數為25%~40%,Fe元素的質量分數 為0~5%,碎裂涂層中間區域的成分與完整涂層表 層基本一致,為高強度且耐腐蝕的高鉻鎳涂層[11]。 球閥基材中 Ni的質量分數為0~2%,Cr元素的質 量分數 為 10% ~15% ,Fe元 素 的 質 量 分 數 為 20%~30%,說明球閥基材中基本不含 Ni元素,為 鐵基材料。
涂層與基材的化學成分差別較大,表明該火焰 噴涂涂層與球閥基材之間基本沒有元素遷移,即沒 有與基材發生液態金屬互相滲透,屬于機械結合而 非冶金結合[12]。涂層和基材間析出的球狀析出成 分為Fe元素和 C元素,為高溫運行狀態下析出的 層間碳化物[13]。
由此可見,基材材料為Ni元素含量較低的非奧 氏體不銹鋼,火焰噴涂涂層為Cr、Ni元素含量較高 的硬質合金,該合金具有較大脆性。閥桿高頻次的 運動導致球閥在應力作用下出現開裂和剝離[14]。
2 綜合分析
綜合上 述 分 析 可 得,球 閥 基 材 為 低 合 金 鋼 12Cr1MoV,火焰噴涂涂層為高 Cr、Ni元素含量的 NiCr-Cr3C2 硬質合金[15]。同時,二者為機械結合狀 態,涂層和基材屬于2個獨立部分,并沒有基材金屬 和涂層金屬互熔過程導致的元素流動現象,因此二 者結合強度也相較于冶金結合存在很大差距[16]。
該球閥在機械加工前進行了整球火焰噴涂,噴 涂完成后進行矩形槽加工。根據 GB/T3077— 2015,基材12Cr1MoV鋼的硬度不大于179HBW, 抗變形能力較低。在閥桿高頻次往復運動的交變應 力作用下,閥桿與球閥鉸接面產生循環應力,因此球 閥矩形槽內發生明顯變形[17-18]。在交變應力的循 環作用下,表面涂層形成疲勞源,并失穩擴展,為球 閥表面涂層碎裂的直接原因[18]。
NiCr-Cr3C2 涂層屬于脆性金屬基陶瓷涂層,為 金屬基陶瓷復合材料,其經熱噴涂與基體機械結合, 機械結合強度約為90MPa,與等離子噴焊和激光熔 覆等冶金結合形式的表面改性強度相差較大[19]。 經交變應力作用后,涂層容易發生剝離、脫落等現 象[20-21]。同時,球閥在約480℃的高溫水環境中運 行,12Cr1MoV鋼基材與 NiCr-Cr3C2 涂層間析出以 M23C6 和 M7C3 為主的含碳球狀相,導致基材和涂 層間結合不緊密,加劇了剝離效應[22]。
3 結語
(1)建議對球閥先進行凹槽的機械加工,再進 行火焰噴涂,使噴涂涂層能夠覆蓋凹槽內部,保證球 閥和閥桿旋轉受力點處的硬度和抗變形能力。
(2)對球閥進行凹槽機械加工后,根據球閥的 變形點確定受力區域,在鉸接面的受力區域進行硬 質合金的內孔激光熔覆改性,以確保鉸接處的硬度 和抗變形能力。
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