电厂发电机用密封瓦巴氏合金脱落原因

赵兴保,戴 猛,于新娜,王仪美,徐 柱,谢 辙

(1.福建福清核电有限公司,福州 350318;2.中核武汉核电运行技术股份有限公司,武汉 430223)

密封瓦是发电机密封油系统的重要组成部件,可以确保氢气不发生泄漏。某核电厂发电机密封瓦表面的巴氏合金镀层在运行1 a后就发生脱落现象,影响了发电机的安全运行。发电机密封瓦为碳钢基体+内衬铸造锡基合金双金属轴瓦,基体材料为Q345R钢,锡基合金材料为ZSnSb12Cu6Cd1轴承巴氏合金,密封瓦整体宏观形貌如图1所示。检修期间发现密封瓦上的巴氏合金存在破损、脱落现象,密封瓦与密封座盖接触的一面上存在发黑迹象。笔者采用一系列理化检验方法分析了密封瓦巴氏合金脱落的原因,以避免该类问题再次发生。

图1 密封瓦整体宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观观察

密封瓦内衬被分割为上、中、下3个部分,其中上部为空气侧,下部为氢气侧,密封瓦内衬损伤主要集中在中部,损伤沿中部内衬周向无规律分布,损伤特征包括块状剥落、蜂窝状孔洞及光亮的凹坑等(见图2)。

图2 密封瓦内衬巴氏合金的宏观形貌

密封瓦由两个半圆环组成,安装要求密封瓦与密封座盖间留有0.20～0.25 mm间隙(见图3)。密封瓦基体正面内侧和外侧有两条宽度约为5 mm的黑色圆环印迹,两条圆环中心间距约为34.5 mm;两条圆环上均存在细小的疑似蚀坑损伤,蚀坑分布无规律(见图4)。依据密封瓦与密封座盖的安装要求,判断密封瓦与密封座盖间隙不足,服役时密封瓦转动使其正面与密封座盖相互磨擦,造成密封瓦正面形成黑色圆环印迹。

图3 密封瓦与密封座盖安装示意

图4 密封瓦基体正面宏观形貌

1.2 化学成分分析

利用电感耦合等离子发射光谱仪分析密封瓦内衬巴氏合金的化学成分,用直读火花光谱仪分析密封瓦基体的化学成分,结果分别如表1,2所示。由表1,2可知:密封瓦内衬巴氏合金的Cu和As元素含量均低于GB/T 1174—1992《铸造轴承合金》及JB/T 4272—1994《汽轮机锡基合金轴瓦技术条件》的要求;密封瓦基体的化学成分满足GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》的要求。

表1 密封瓦巴氏合金的化学成分分析结果 %

表2 密封瓦基体的化学成分分析结果 %

1.3 金相检验

依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》,分别将密封瓦损伤区及未损伤区进行切割、镶嵌、打磨、抛光及腐蚀处理,腐蚀剂为4%(体积分数)硝酸乙醇溶液,密封瓦损伤区及未损伤区的显微组织形貌分别如图5,6所示。依据CB 1156—1992《锡基轴承合金金相检验》,测量β相边长及观察β相分布,并对巴氏合金显微组织中β相的质量进行评级。

图5 未损伤区显微组织形貌

由图5可知:未损伤区上部、中部及下部巴氏合金与基体结合良好,巴氏合金组织主要由α固溶体(Sb溶于Sn的固溶体,软质相)+白色针状ε相(Cu6Sn5)+白色块状立方形β相(SnSb,硬质相)组成,上部、中部及下部β相边长级别及分布级别无差异,各区域β相边长级别为1级,β相分布均匀,未见偏析现象,分布级别为1级。

由图6可知:损伤区上部、中部及下部巴氏合金与基体间未出现脱落现象,这些区域的β相边长级别为1级;上部表面β相出现团聚现象,结合面无β相,β相偏析较严重,分布级别为3级;中部表面及结合面β相呈正方形和细小不规则分布,分布级别为2级,表面及靠近结合面均存在沿无β相区域扩展的裂纹;下部表面β相出现团聚现象,表面无β相,β相分布级别为3级。

图6 损伤区的显微组织形貌

1.4 硬度测试

依据GB/T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》,利用布氏硬度计测试密封瓦内衬上部、中部及下部区域巴氏合金的硬度,硬度计压头直径为2.5 mm,试验力为306.5 N,测试结果如表3所示。由表3可知:密封瓦内衬巴氏合金硬度满足GB/T 1174—1992的要求。

表3 密封瓦巴氏合金的硬度测试结果 HBW

1.5 扫描电镜(SEM)及能谱分析

利用扫描电子显微镜观察密封瓦巴氏合金面损伤区的形貌,结果如图7所示。由图7可知:巴氏合金面蜂窝状缺陷区由大量网状裂纹组成,部分裂纹内镶嵌有杂质;光亮的凹坑底部较为平整,可见裂纹扩展的特征形貌,这些裂纹形成网状结构,进一步导致巴氏合金剥落;大块脱落处底部可见准解理特征及疲劳条纹特征形貌。

图7 巴氏合金损伤区SEM形貌

能谱分析结果显示蜂窝状缺陷区裂纹内的杂质主要由Fe、C、O等元素组成,推测密封瓦压盖与密封瓦接触形成的磨损产物进入巴氏合金基体后,在这些位置萌生了裂纹并扩展。密封瓦服役期间会承受周期性载荷,巴氏合金因嵌入杂质而形成的初始裂纹会在周期性载荷作用下发生疲劳扩展。

利用SEM观察密封瓦基体,结果如图8所示。由图8可知:发黑及蚀坑处均由镶嵌异物的小坑组成;未发黑区域存在加工痕迹,而基体发黑区域已无基体加工的车削痕迹,表明服役时密封瓦正面与密封座盖发生磨损,导致基体表面粗糙度减小。

图8 密封瓦基体SEM形貌

利用能谱分析仪对表面发黑处蚀坑底部异物、发黑区基体及未发黑区基体进行分析,蚀坑异物主要由C元素和O元素组成,判断其为密封油残留物;发黑区表面的氧元素含量高于未发黑区,说明发黑原因是密封瓦基体与密封座盖摩擦发热后,表面发生了氧化。

2 综合分析

安装密封瓦时,密封瓦与密封座盖之间应留有0.20～0.25 mm间隙,使运行时密封瓦与座盖不发生磨损,而破损的密封瓦基体上存在磨损发黑痕迹,表明实际运行时密封瓦与座盖发生了相对转动,使密封瓦及密封座盖发生磨损。磨损产物随着密封油进入密封瓦上部、中部及下部的流道内,密封瓦转动时这些磨损产物镶嵌到中部密封瓦巴氏合金的基体中,使巴氏合金表面产生缺陷。密封瓦基体正面整圈均存在发黑迹象,原因是磨损产生的热量使密封油温度上升,导致基体黏度降低、油膜变薄、边界油膜性能下降[1-2],进一步影响密封瓦的服役性能。

对于锡基巴氏合金,在Sn-Sb二元合金体系中,只有当Sb元素质量分数大于7.5%时,结构中才会出现块状β相SnSb;而Cu元素几乎不溶于Sn元素,但少量的Cu元素能溶于α固溶体中,只有α固溶体中Cu元素过量才会生成细小ε相(Cu6Sn5)。ε相是β相SnSb立方晶体的结晶核心。在结晶过程中,ε相首先从溶体中以网状形式结晶出来,因而可以阻止其后析出的β相因质量轻上浮而产生偏析,使形成的晶体更加均匀、细小[3]。破损的密封瓦内衬巴氏合金中Cu元素含量低于标准要求,使材料中ε相偏少,引起β相发生偏析。破损的密封瓦内衬巴氏合金中As元素含量低于标准要求,As元素通常固溶在基体内,起到细化晶粒、提高合金强度的作用,其含量偏低会降低巴氏合金的力学性能。

正常的巴氏合金基体上应分布着均匀、弥散、细小的β相立方晶体,允许存在少量呈杆状、针状或点状的晶体,晶体应无明显方向性,垂直于基体,不允许存在偏析和堆积现象。如果β相的硬质质点较大或分布不均匀,在服役过程中,合金中单个晶体将承受过大的压力并发生破裂。β相分布越不均匀,单个晶体受力也越大,晶内产生变形、滑移,会破坏晶界,使合金疲劳强度降低。只有β相的晶体较细、分布均匀,合金才能有较好的承载能力[4-5]。巴氏合金损伤区组织中β相分布不均匀,造成巴氏合金的承载能力变差,中部区域表面存在磨损产物,镶嵌后形成了初始缺陷并萌生裂纹,而损伤区的β相不能有效阻止裂纹扩展,从而使裂纹沿着巴氏合金表面及内部扩展,最终导致巴氏合金脱落。

3 结论

安装发电机密封瓦时,密封瓦与密封座盖的安装间隙不足,使密封瓦及密封座盖发生磨损及发热现象,磨损产物的存在使密封油油质劣化,并造成巴氏合金表面开裂,内衬巴氏合金材料的化学成分不合格,β相分布不均匀,导致其承载能力变差,在周期性载荷的作用下,密封瓦发生疲劳脱落。