分享：某燃机余热锅炉给水泵泵轴开裂原因

谷树超1,张祎俊2,丁宪飞1,李 俊1,倪燚锋1,王驾鹤2

(1.上海明华电力科技有限公司,上海 200090;2.上海长兴岛热电有限责任公司,上海 201913) 

摘 要:某燃机余热锅炉给水泵05Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈钢泵轴在使用过程中发生开裂。采 用宏观观察、化学成分分析、断口分析、金相检验、力学性能测试和硬度测试等方法,对泵轴开裂的原 因进行了分析。结果表明:泵轴开裂性质为镀铬层次表面加工缺陷诱发的多源启动疲劳扩展开裂,泵 轴的显微组织中含有大量高温δ铁素体,局部区域δ铁素体的含量可达50%,导致材料冲击韧性明显 降低,削弱了泵轴的承载能力,加速了应力集中部位裂纹的形成和扩展,最终导致泵轴发生开裂。

关键词:05Cr17Ni4Cu4Nb钢;泵轴;δ铁素体;开裂 中图分类号:TB31;TG142.1+4 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0052-04

05Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈钢是在Cr17型不锈钢 基础上,加入Cu,Nb等合金元素研制出的一种新型普通 马氏体不锈钢,其耐腐蚀性和可焊性均优于常规马氏体 型不锈钢,广泛用于有耐弱酸、弱碱腐蚀和高强度要求的 紧固件和传动装置等零件[1]。05Cr17Ni4Cu4Nb钢的热 处理方式为固溶处理+时效处理,通过调整时效处理温 度、增加热处理环节可以得到理想的显微组织,从而 提高材料的塑性、强度和韧性[2]。05Cr17Ni4Cu4Nb 钢合金部件发生开裂或断裂的主要形式有:紧固螺钉 因预紧力产生的疲劳断裂[3]、不锈钢拉杆的应力腐蚀 开裂[4]、电厂设备转动轴的多源疲劳断裂[5]、电阻应 变式力传感器的氢致延迟开裂[6]、电作动器壳体低温 环境下因时效温度不当产生的开裂[7]以及重量模型 前吊挂因应力集中而产生的疲劳断裂[8]等。 某燃机余热锅炉给水泵泵轴在运行过程中发生 开裂,泵 轴 已 累 计 运 行 约 3633h,启 停 次 数 约 279次。泵轴材料为05Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈 钢。笔者采用宏观观察、化学成分分析、断口分析、 金相检验、力学性能测试等方法,对泵轴开裂的原因 进行了分析,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验 1.1 宏观观察 

开裂泵轴的宏观形貌如图1所示。由图 1 可知:泵轴整体长度约为3m,泵轴表面未见明显腐蚀 迹象;泵轴主裂纹位于末级叶轮外端面处,裂纹位置 轴 径约为110mm,裂纹附近未见明显塑性变形;裂 纹较为笔直,沿轴径环向扩展,裂纹长度为沿轴体约 2/3周长。

1.2 化学成分分析

按照 GB/T4336—2016《碳素钢和中低合金钢 火花 源 原 子 发 射 光 谱 分 析 方 法 (常 规 法)》,使 用 SPECTRO MAXx型全定量金属元素分析仪对泵 轴材料进 行 化 学 成 分 分 析,结 果 如 表 1 所 示。由 表1可知,泵轴的化学成分满足 GB/T1220—2007 《不锈钢棒》对05Cr17Ni4Cu4Nb钢的要求。

1.3 断口分析 

1.3.1 宏观分析 

将开裂泵轴沿裂纹分开,断口的宏观形貌如图 2所示。由图2可见:泵轴断面整体较为平坦,呈黑 灰色,断面“6点钟”部位的粗糙区域呈银灰色,为人 工断口所致;断面扩展区可见由“12点钟”方向起始 的弧形海滩状扩展花样,“12点钟”方向断面边缘可 见多个径向分布的起始台阶,表明泵轴开裂与应力 集中有关。