分享：排气阀杆密封面开裂原因

• 周俊1, , 
 
• 孙明正2, 
 
• 潘雨君1

• 1.

  沪东重机有限公司，上海 200129Hudong Heavy Machinery Co., Ltd., Shanghai 200129, China

• 2.

  上海材料研究所机构有限公司，上海 200437Shanghai Research Institute of Materials Co., Ltd., Shanghai 200437, China

某大缸径低速主机在运行时发生主机排温偏差报警，查看报警显示，发现有2个缸的排温偏差过大，显示爆压、压缩压力偏差过大。经停机拆解后发现2个排气阀杆密封面开裂（见图1），其阀杆基体材料为SNCrW钢，耐热堆焊层材料为Inconel625钢，密封接触面堆焊材料为Inconel718钢。笔者采用一系列理化检验方法对排气阀杆的开裂原因进行分析，以避免该类事故再次发生。 

图  1  开裂排气阀杆宏观形貌

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1.   理化检验

1.1   宏观观察

对开裂阀杆截取裂纹部位进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：阀杆的密封面可见裂纹，阀盘开裂于与阀座的接触位置，该区域外圈部分可见黑色异物覆盖，分析认为其主要成分是阀杆工作时形成的积碳，该区域内圈部分可见露出的金属色，未见明显异物覆盖，光亮区域可见凹坑。经测量，光亮区域长度约为6 mm，为实际密封接触面宽度。 

图  2  开裂阀杆裂纹处宏观形貌

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采用机械加工方法打开裂纹，断口的宏观形貌如图3所示。由图3可知：裂纹面整体呈褐色，有一定的氧化迹象，根据裂纹面上纹路的收敛方向可大致判断裂纹源区位置，可见裂纹起源于阀盘与阀座接触位置的光亮区域。 

图  3  开裂阀杆断口宏观形貌

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1.2   化学成分分析

在开裂阀杆的基体、Inconel718钢堆焊层与Inconel625钢堆焊层处分别取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1~3所示。由表1~3可知：开裂阀杆的基体、Inconel718堆焊层与Inconel625钢堆焊层的化学成分均符合技术要求。 

Table  1.  开裂阀杆基体的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	W
实测值	0.26	0.90	0.92	0.030	0.001	9.59	19.35	1.88
技术要求	≤0.30	0.90~1.10	0.90~1.10	≤0.040	≤0.030	9.00~11.00	18.00~22.00	1.80~2.20

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Table  2.  开裂阀杆Inconel718钢堆焊层的化学成分分析结果

项目	质量分数
	Ni	Cr	Fe	Mo	Nb	Ti	Al	C	Si
实测值	49.66	19.41	21.01	3.01	4.86	0.89	0.43	0.060	0.13
技术要求	≤54.00	17.00~21.00	余量	2.80~3.30	4.75~5.50	0.65~1.15	0.20~0.80	≤0.08	≤0.20

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Table  3.  开裂阀杆Inconel625钢堆焊层的化学成分分析结果

项目	质量分数
	Ni	Cr	Fe	Mo	Nb	Ti	Al	C	Si
实测值	64.57	22.03	0.15	9.14	3.60	0.20	0.14	0.007	0.14
技术要求	≥58.00	20.00~23.00	≤5.00	8.00~10.00	3.15~4.15	≤0.40	≤0.40	≤0.10	≤0.20

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1.3   力学性能测试

在开裂阀杆的杆身部位取样，对试样进行拉伸、冲击试验及布氏硬度测试，试样的力学性能测试结果如表4所示。由表4可知：阀杆的力学性能均符合技术要求。 

Table  4.  开裂阀杆的力学性能测试结果

项目	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	断后伸长率/%	断面收缩率/%	冲击吸收能量/J	布氏硬度/HBW
实测值	768	350	36.5	52	61，62，63	212
技术要求	≥700	≥350	≥26	≥45	-	190~240

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1.4   扫描电镜（SEM）及能谱分析

在开裂阀杆的断口处取样，对试样进行SEM分析，结果如图4所示。由图4可知：断口大部分区域被异物覆盖，无法观察其原始形貌；少部分断口未被异物覆盖的区域可观察到疲劳辉纹与大致平行的二次裂纹，呈疲劳断裂形貌特征。 

图  4  开裂阀杆断口SEM形貌

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对裂纹源区的表面进行SEM分析，结果如图5所示。由图5可知：表面可见较多径向条纹凹坑与微裂纹，凹坑与微裂纹内可见异物。 

图  5  裂纹源区表面SEM形貌

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在阀杆开裂位置对侧密封面处截取试样，其SEM形貌如图6所示。由图6可知：外圈的黑色异物覆盖区域车削纹路完整，表面异物覆盖较多；内圈光亮区域出现大量径向条纹凹坑、微裂纹，其余位置车削纹路较完整，且未见明显异物覆盖。对凹坑内颗粒物进行能谱分析，结果如图7所示，可见试样中除含有堆焊层的主要元素外，还含有较高含量的Al、Si、O等元素，颗粒物为氧化铝或氧化硅颗粒。 

图  6  阀杆开裂位置对侧密封面处SEM形貌

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图  7  密封面凹坑内颗粒物的能谱分析结果

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1.5   金相检验

在开裂阀杆断口剖面处截取金相试样，经镶嵌、磨抛及化学试剂腐蚀后置于光学显微镜下观察，结果如图8所示。由图8可知：Inconel718钢堆焊层的显微组织为γ+γ”强化相，其表面显微硬度为540 HV0.3。 

图  8  开裂阀杆断口的微观形貌

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2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：开裂阀杆的基体、Inconel718钢堆焊层、Inconel625钢堆焊层的化学成分均符合相关技术要求；开裂阀杆的力学性能均符合技术要求。阀杆的开裂部位为密封接触面，该部位位于Inconel718堆焊层区域，接触面上可见宏观凹坑，由裂纹收敛的方向可知，裂纹起源于密封接触面的表面。少部分断口未被异物覆盖，该区域可观察到疲劳辉纹与大致平行的二次裂纹，呈疲劳断裂特征。密封接触面表面可观察到较多径向条纹凹坑与微裂纹，凹坑与微裂纹内可见颗粒物。经能谱分析可知，凹坑内颗粒物为氧化铝或氧化硅颗粒。氧化铝或氧化硅颗粒常用于制作磨料，氧化铝磨料的颗粒硬度可达2 150 HV，氧化硅磨料的颗粒硬度可达820 HV[1]，均远高于Inconel718钢堆焊层硬度（540 HV）。该颗粒物作为硬质颗粒，在阀杆密封面贴合基座的过程中撞击密封面，形成了凹坑，并发生相对滑动，形成了径向条纹凹坑，部分密集的径向凹坑处形成了径向微裂纹，为疲劳裂纹源，在交变应力的作用下，裂纹不断扩展，最终导致阀杆发生疲劳开裂。 

根据分析结果，对该船运行航线进行调查，发现该船曾重复运行在靠近沙漠地区的海域，该地区气候为沿海沙漠气候，在船舶运行至该海域时，正值当地夏季，风向为偏东风或东南风，使得船舶吸入了氧化硅等硬质沙粒。 

3.   结论及建议

该阀杆使用环境中存在硬质颗粒，在阀杆密封面贴合基座的过程中，硬质颗粒对密封面造成了损伤，形成了微裂纹，在交变应力的作用下，裂纹不断扩展，最终导致阀杆发生疲劳开裂。 

建议避开强风时段，根据气象预报，避免在沙尘暴或强离岸风（偏东风/东南风）期间通过该海域。建议增强空气过滤系统。在主机进气口加装高效分离器或多层滤网，过滤硬质沙粒。定期检查并更换滤网，防止堵塞或失效。在通过沙漠海域后，对主机滤器、冷却系统等进行专项检查，清理残留沙粒。定期取样分析润滑油，检测氧化硅等磨粒，提前预警磨损问题。 

来源--材料与测试网