安全閥壓縮彈簧制備方法及失效分析

王國力 楊玉霞 劉永剛 杜思凡 王國棟 崔赟璞 孔永平

摘 要：本文概述了安全閥壓縮彈簧的制備工藝、要點(diǎn)及產(chǎn)品性能指標(biāo)，分析了壓縮彈簧在使用過程中失效的原因，并提出檢測方法和建議，以提高產(chǎn)品的使用壽命。

關(guān)鍵詞：壓縮彈簧;安全閥;失效;斷裂

中圖分類號：TH134文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0071-02

Preparation Method and Failure Analysis of Safety Valve Compression pring

WANG Guoli1 YANG Yuxia1 LIU Yonggang1 DU Sifan1 WANG Guodong1 CUI Yunpu1 KONG Yongping2

（1.Jiyuan Jinwulian Metal Products Co.， Ltd.，Jiyuan Henan 459000;2.Henan Longzheng Bioenergy Co.， Ltd.，

Jiyuan Henan 459000）

Abstract： This paper summarized the preparation process， main points and product performance indicators of safety valve compression springs， analyzed the causes of failure during the use of compression springs， and proposed detection methods and recommendations to improve the service life of products.

Keywords： compression spring;safety valve;failure;fracture

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，最近幾年，我國安全閥行業(yè)發(fā)展迅猛，安全閥的規(guī)格型號不斷增多，應(yīng)用安全閥的領(lǐng)域也愈來愈多，其在石化、火電、核電等領(lǐng)域都有廣泛的使用。彈簧是安全閥的核心部件，一旦彈簧出現(xiàn)問題，極易造成彈簧儲能的降低。因此，安全閥彈簧研究對安全閥的發(fā)展具有非常重要的作用。

沈民主等對兩種氣閥彈簧制造工藝進(jìn)行概況，分別為：卷簧—去應(yīng)力退火—磨兩端面—倒角—強(qiáng)力噴丸—氮化—強(qiáng)力噴丸—熱定型—負(fù)荷分選;卷簧（軟鋼絲）—淬、回火—磨兩端面—倒角—強(qiáng)力噴丸—強(qiáng)力噴丸—熱定型—負(fù)荷分選[1]。熊明明對安全閥彈簧的斷裂原因進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：氫致開裂是彈簧斷裂的主要原因，使得彈簧的使用壽命減短[2]。張輝對液化石油氣活動槽車安全閥彈簧制作過程進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)3Cr13彈簧制作過程為原材料熱軋—下料—加熱卷制（加熱溫度850～950 ℃）—熱處理（950 ℃淬火+中溫回火）—檢驗(yàn)，3Cr13彈簧應(yīng)在1 000～1 020 ℃油淬、480～520 ℃回火油淬[3]。他認(rèn)為，不宜選擇3Cr13制備石油液化氣槽車安全彈簧，建議采用熱處理工藝和耐蝕性較好的50CrV或60SiMn材料制備彈簧。

國際上，彈簧大規(guī)模研究生產(chǎn)企業(yè)較多，例如，德國Thyssen公司、日本大同公司等在研發(fā)性能優(yōu)良的彈簧上取得了不錯(cuò)的成績。在彈簧原材料的研發(fā)方面，與我國的鋼鐵企業(yè)相比，美國、歐洲、日本的鋼鐵企業(yè)設(shè)備先進(jìn)，生產(chǎn)工藝成熟，開發(fā)研究能力強(qiáng)，鋼材質(zhì)量優(yōu)異。例如，美國彈簧經(jīng)常使用的鋼種包括9254、9260、5160及改進(jìn)型5160;日本合金彈簧鋼共8種，從SUP6到SUP13，包括Si-Mn、Cr-Mn、Cr-V和Si-Cr鋼，德國的彈簧鋼也有6種。采取電感應(yīng)中頻加熱技術(shù)使鋼絲在低溫下電解磷化，本研究在國內(nèi)屬于首創(chuàng)。

1 壓縮彈簧制備工藝、要點(diǎn)及性能指標(biāo)

1.1 壓縮彈簧的制備工藝

一是對于直徑18～60 mm彈簧，壓縮彈簧的制備工藝為：選料—卷制—淬火—割頭—磨削—修整—回火—拋丸—靜電噴涂—烘干—成品。

二是對于直徑小于8 mm的彈簧，壓縮彈簧的制備工藝為：選料—卷制—回火—磨削—修整—拋丸—靜電噴涂—烘干—成品。

1.2 壓縮彈簧制造工藝要點(diǎn)

本研究采用最先進(jìn)的無酸洗表面涂覆生產(chǎn)線，即采用鋼絲在線低溫表面涂覆的方法，保護(hù)膜能滿足鋼絲熱處理線速度120m/min的要求，而且表面涂覆處理時(shí)間短，只需要5～6s，制作簡捷，、采用的設(shè)備體積小，易操作控制。這個(gè)工序不僅可以有效提升鋼絲的處理效果，還實(shí)現(xiàn)了整個(gè)方法低能、低排、低消耗，綠色環(huán)保。其采用了先進(jìn)的電感應(yīng)中頻加熱技術(shù)，生產(chǎn)效率得到極大提高。

1.3 壓縮彈簧性能指標(biāo)

對規(guī)格型號為18 mm×118 mm×300 mm×9.5 mm的壓縮彈簧，根《冷卷圓柱螺旋彈簧技術(shù)條件 第2部分：壓縮彈簧》（GB/T 1239.2—2009）要求進(jìn)行檢測，其結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本研究制備的壓縮彈簧符合《冷卷圓柱螺旋彈簧技術(shù)條件 第2部分：壓縮彈簧》（GB/T 1239.2—2009）要求。

2 壓縮彈簧失效分析及檢測手段

2.1 壓縮彈簧失效分析

彈簧在正常工況下承受恒定載荷作用，但由于使用時(shí)溫度的變化、系統(tǒng)操作壓力的變化波動，此時(shí)壓縮彈簧承受交變載荷，產(chǎn)生交變應(yīng)力，彈簧在長期使用后極易產(chǎn)生疲勞并暗生疲勞裂紋[4-5]。疲勞裂紋在載荷作用下不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞斷裂，這又進(jìn)一步引起安全閥內(nèi)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)沖擊力，導(dǎo)致彈簧發(fā)生脆性斷裂，使安全閥失效。

在制備過程中，如果壓縮彈簧表面存在缺口，則缺口部位會形成較高的應(yīng)力，使用時(shí)介質(zhì)的腐蝕以及彈簧本身的內(nèi)應(yīng)力會使彈簧缺口形成應(yīng)力集中，逐漸發(fā)展為裂紋，裂紋擴(kuò)展變大可能導(dǎo)致彈簧斷裂。

彈簧的熱處理過程在整個(gè)彈簧生產(chǎn)加工過程中至關(guān)重要，直接影響材料的力學(xué)性能。目前，熱處理工藝以淬火+中溫回火為主，彈簧回火過程中碳化物從馬氏體中析出，回火溫度過低或者回火時(shí)保溫時(shí)間過短都會導(dǎo)致彈簧鋼硬度過高。

2.2 失效彈簧檢測手段

一是宏觀檢測，觀看彈簧表面金屬光澤、裂紋、拉痕、銹蝕等跡象。二是硬度檢測，采用維式顯微硬度計(jì)對彈簧進(jìn)行硬度檢測，硬度值換算成布式，分析其是否處于正常彈簧的硬度范圍。三是光譜檢測，對彈簧的化學(xué)成分進(jìn)行光譜分析。四是金相檢驗(yàn)，對彈簧進(jìn)行金相檢驗(yàn)，分析其相組織和晶粒、晶粒度。五是微觀形貌檢測，采用掃描顯微鏡對斷口進(jìn)行微觀形貌檢查，觀看斷口裂紋。

3 結(jié)論

彈簧是安全閥中的一個(gè)重要部件，彈簧性能的優(yōu)劣直接影響安全閥的使用性能。安全閥工作時(shí)，彈簧必須具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性、耐疲勞性和高線性能。實(shí)際上，國內(nèi)彈簧的制造都有一定的范圍要求，然而國外制造的安全閥并沒有工作范圍，是一個(gè)固定的具體值。從理論上分析，[F=KX]，[F]為彈簧力，[K]為彈性模量系數(shù)，[X]為伸長量，當(dāng)[K]為一個(gè)常數(shù)時(shí)，彈簧在工作范圍內(nèi)具有線性和可控性，因?yàn)榘踩y需要考慮動作壓力和回位壓力，后者是由彈簧性能決定的，快速及時(shí)的回位也是安全閥性能優(yōu)異的重要標(biāo)志。正常工況下，彈簧長時(shí)間處于壓縮狀態(tài)，這就要求彈簧在做強(qiáng)壓處理時(shí)嚴(yán)格把控工藝條件。

彈簧表面有一層防銹涂層，涂層在圈間因碰撞摩擦形成漏點(diǎn)，在漏點(diǎn)處發(fā)生了銹蝕。所以，應(yīng)選用質(zhì)量較好的涂層，在正常使用時(shí)防止受力過大導(dǎo)致彈簧間的碰撞摩擦。彈簧的熱處理過程在整個(gè)彈簧生產(chǎn)加工過程中至關(guān)重要，直接影響材料的力學(xué)性能。主要的熱處理工藝是淬火+中溫回火，彈簧鋼回火過程也是碳化物在馬氏體中析出的過程，回火溫度過低或者回火時(shí)保溫時(shí)間過短都會導(dǎo)致彈簧鋼硬度過高。因此，彈簧生產(chǎn)廠家在制造過程中要遵循工藝規(guī)程，嚴(yán)格控制熱處理溫度和時(shí)間，使彈簧達(dá)到理想的工藝條件。在正常使用時(shí)，要防止受力過大而導(dǎo)致彈簧間碰撞摩擦。同時(shí)，要定期對安全閥進(jìn)行拆卸和清洗，檢查彈簧表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)裂紋、斷口等情況要及時(shí)更換，防止安全閥失效。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈民主，劉強(qiáng)，張磊，等.氣閥彈簧制造工藝和失效案例分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊），2018（9）：646-649.

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[3]張輝.液化石油氣活動槽車安全閥彈簧的失效分析[J].科技天地，2011（25）：79.

[4]蔣仕良，陳勇，王杜娟.高壓分離器安全閥失效原因分析[J].全面腐蝕控制，2018（8）：45-49.