紅沿河核電廠揚修電動頭力矩曲拐設計缺陷處理

周盛男,許皓程,肖 斌,于 威,宋 伸,白潤興 宋英祿

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116110)

2017年3月24日,主控執行EIE 03試驗時操作H3RRI170VN時無法關閉，聯動閥H3RR￣I177VN動作正常。就地檢查H3RRI170VN在全開位置，電動頭關力矩動作未復位。手動復位后，電動頭自動關閉(存在自動關信號)。針對這一事件，通過梳理事件時序，設備運行檢修信息，分析故障原因，評估故障影響。

1 故障發生背景

2017年3月24日,主控執行EIE 03試驗時操作H3RRI170VN時無法關閉，聯動閥H3RRI177VN動作正常。就地檢查H3RRI170VN在全開位置，電動頭關力矩動作未復位。手動復位后，電動頭自動關閉(存在自動關信號)。拆回檢修間校驗力矩初始值為10 Nm，調大關力矩至30 Nm后，關凸輪可以正常復位。解體檢查現場電動頭曲拐，曲拐前端及蝸桿兩側存在磨損，測量磨損曲拐前端：3.30 mm，測量正常曲拐前端：4.0 mm，蝸桿卡槽：4.50 mm。判斷曲拐磨損是導致力矩無法復位的直接原因。

2 故障原因分析

2.1 電動頭機械動作原理

力矩動作：

電機輸出動力，通過電機蝸桿傳至蝸輪，最終傳至主軸，從而開關閥門。當主軸受力并大于碟簧的預緊力時，電機蝸桿偏離中心位置將作軸向移動，帶動曲拐發生移動，并將位移傳遞給力矩凸輪。當超過設定力矩時，凸輪將使力矩開關動作，電動頭停止運行。電動頭內部機構見圖1。

力矩釋放：

當閥門開閥時，隨著主軸上的負載減小，在碟簧彈力的作用下，驅使蝸桿恢復中心位置并帶動曲拐，將位移傳遞給力矩凸輪，從而釋放力矩開關。

圖1 H3RRI170VN電動頭內部機構圖Fig.1 The internal mechanism of H3RRI170VN electric head

2.2 解體檢查情況

解體檢查現場電動頭曲拐，曲拐前端及蝸桿兩側存在磨損，測量磨損曲拐前端：3.30 mm，測量正常曲拐前端：4.0 mm，蝸桿卡槽：4.50 mm。曲拐與蝸桿的間隙越大，蝸桿越不容易驅動曲拐使力矩釋放。解體后見圖2所示。

圖2 H3RRI170VN解體后的測量數據Fig.2 The measurement data after the disintegration of H3RRI170VN

如下是揚修廠家答復該型號電動頭力矩與碟簧壓縮量的關系見表1。

表1 力矩與碟簧壓縮量的關系

根據檢修間校驗結果，現場初始值為10 Nm，對應碟簧的形變量為1.2 mm。測量現場電動頭蝸桿卡槽與磨損曲拐的間隙：卡槽與磨損曲拐的間隙：4.50 mm-3.30 mm=1.20 mm；

卡槽與未磨損曲拐的間隙：4.50 mm-4.0 mm=0.50 mm；

通過以上數據可得：當曲拐卡槽的間隙不小于力矩動作時碟簧的形變量時，曲拐由于摩擦等因素無法驅動凸輪脫開力矩開關，電動頭力矩開關就不復位。曲拐磨損位置放大圖見圖3。

圖3 曲拐磨損位置放大圖片Fig.3 The enlarged picture of the crank wear position

2.3 對比實驗驗證

為了進一步驗證曲拐磨損對力矩開關的影響，設計并進行了如下三個實驗：

實驗一：領取全新備件電動頭在檢修間進行模擬實驗。

1)將備件電動頭調整關閉力矩至10 Nm，力矩動作后可以復位。

2)將現場設備關閉力矩調整至10 Nm，力矩開關動作后無法復位。

實驗二：領取現場2C解體退庫備件電動頭在檢修間進行模擬實驗。

1)將電動頭關閉力矩調整至10 Nm，力矩開關動作后無法復位。

2)增大電動頭力矩，將電動頭關閉力矩調整至16 Nm后，力矩開關可正常復位。

3)繼續增大力矩至25 Nm和60 Nm時，力矩開關均可正常復位。

實驗三：最小力矩復位實驗，驗證磨損與力矩復位之間的關系。

1)將現場故障的H3RRI170VN電動頭解體回裝，電動頭最小復位力矩值為26 Nm。

2)模擬現場磨損，沿原磨損面繼續輕微打磨，驗證電動頭最小復位力矩值增大至32 Nm。實驗結果整理如表2所示。

表2 實驗數據

說明：10 Nm為H3RRI170VN現場電動頭初始值；25 Nm為揚修現場設置最小力矩。經過上述實驗可以說明：曲拐的磨損可以影響力矩開關的復位，隨著曲拐磨損量的增大，所需的復位力矩越大；當曲拐磨損量達到一定程度后，現場設定力矩值較小的電動頭，將出現力矩無法復位的現象。

綜上，電動頭力矩無法復位的直接原因為：電動頭曲拐異常磨損造成曲拐與蝸桿卡槽的間隙增大，蝸桿恢復中心位置時不能驅動曲拐使關力矩凸輪正常復位。

3 曲拐材質分析

3.1 成分分析

為了研究曲拐為何會異常磨損，委托技術處金屬實驗室對H3RRI170VN現場故障電動頭的曲拐進行合金成分分析、硬度測試、金相檢驗等工作。

廠家反饋曲拐材質為鉻釩合金工具鋼，蝸桿為40Cr合金鋼。利用Spectro X-sort手持式X射線熒光光譜儀對曲拐及蝸桿進行主合金元素分析，結果見表3。由檢驗結果可以看出，曲拐材料成分中的元素V及蝸桿的材料成分中的Cr元素近乎微量，由于廠家并未明確曲拐材料牌號，因此與標準GB/T 1299—2014《工模具鋼》中鉻釩合金工具鋼做對比，曲拐材料可能為9Cr2或Cr2，蝸桿材質接近于碳鋼，與廠家所反饋材質信息明顯不符。

表3 化學成分分析結果

3.2 硬度檢驗

由于曲拐試樣截面面積不足0.5 cm2樣，不滿足洛氏硬度測試標準的要求，對送檢曲拐取樣在橫截面進行顯微維氏硬度試驗，測試設備為HV-1000顯微維氏硬度計，試驗條件：負荷0.98 kgf，負荷保持時間10 s，試驗結果見表4。

表4 布氏硬度(HBW)試驗結果

根據ASTM E140 REVB Y2012 Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knop Hardness, Scleroscope Hardness, and Leeb Hardness標準中顯微維氏硬度與洛氏硬度之間的換算關系，274 HV1相當于26 HRC。明顯低于GB/T 1299—2014《工模具鋼》中對鉻釩鋼的硬度要求值60 HRC。

3.3 金相檢驗

根據GB/T 13299—1991 (鋼的顯微組織評定方法)對送檢曲拐取樣進行金相檢驗，侵蝕劑為4%硝酸酒精，在Axio Scope A1金相顯微鏡下觀察，如圖4所示，曲拐金相組織為球狀珠光體，為退火態組織形貌。

3.4 檢驗結論

通過對送檢的H3RRI170VN曲拐、蝸桿進行宏觀檢驗、成分分析、硬度及金相檢驗，結合廠家反饋的相應材料信息，送檢曲拐及蝸桿均存在如下偏差，具體如下：

1)曲拐及蝸桿成分均不符合廠家反饋的材料信息，曲拐中元素釩的含量明顯低于標準中對鉻釩合金鋼中釩的要求，釩在工模具鋼中的主要作用是細化晶粒提高其耐磨性，蝸桿材質為碳鋼；

2)曲拐顯微維氏硬度為274 HV1，根據標準ASTM E140 REVB Y2012換算后曲拐的洛氏硬度約為26 HRC，明顯低于標準要求的≥60 HRC；

3)曲拐金相組織為均勻分布的球狀珠光體，為含鉻合金鋼球化退火態組織。

開關動作過程中，曲拐主要承受摩擦力，結合上述分析結論，導致曲拐異常磨損的主要原因應為制造曲拐所用材質不滿足廠家提供的技術信息要求，在制造過程中未經淬火處理導致曲拐硬度明顯低于標準要求，降低了其耐磨性，在運行過程中因磨損而導致其最終失效。

4 廠家設計澄清

經過上述兩個實驗，可以說明H3RRI170VN電動頭關力矩動作未復位的直接原因為曲拐磨損，根本原因為曲拐和蝸桿的材質及淬火方式存在設計缺陷，不滿足硬度要求。

將缺陷分析過程及實驗結論反饋給揚修制造廠后，得到了廠家人員的認可，承諾進行曲拐熱處理工藝試驗并調查曲拐及蝸桿材質問題。

2017年5月25日，收到廠家對曲拐進行的三種不同熱處理工藝的試驗對比。試驗分別選用原曲拐、火焰淬火曲拐及高頻淬火曲拐，對三種曲拐進行硬度測試，其中原曲拐硬度<15 HRC；火焰淬火曲拐效果不理想，性能也不穩定，硬度在20～60 HRC之間；經過高頻淬火的曲拐性能較穩定，硬度在50～60 HRC之間。最終選擇高頻淬火作為曲拐的熱處理工藝，提高硬度，并重新進行壽命試驗，試驗后解體檢查磨損情況。

2017年8月14日，廠家對曲拐及蝸桿材質問題進行了答復，并制作新曲拐進行了10 000次的壽命試驗，具體內容如下：

1)查閱蝸桿圖紙，原設計材質為45鋼，鑒定試驗樣機的蝸桿也為45鋼，經過鑒定試驗和壽命試驗驗證，各方面性能滿足要求。2010年8月，為了提高產品品質，將材質變更為45Cr。由電裝出廠編碼104110148追溯至完工資料，蝸桿材質為45鋼。曲拐為非關鍵件，材質CrV鋼，未放入資料中。

2)2017年4月收到現場反饋后，揚修組織相關部門進行了原因分析和技術審查，對曲拐零件進行了優化設計：明確曲拐材質為115CrV3(DIN17350)、局部表面淬火，硬度達到HRC50-60。使用新工藝曲拐組裝樣機進行10 000次壽命試驗，解體檢查未見曲拐和蝸桿槽有明顯磨損。

5 結論

由于曲拐材質及熱處理方式存在設計問題，導致曲拐硬度偏低，在與旋轉的蝸桿接觸時發生磨損，曲拐與蝸桿卡槽的間隙增大，蝸桿恢復中心位置時不能驅動曲拐使關力矩凸輪正常復位。

上述設計缺陷得到揚修廠家的認可，揚修廠已完成新曲拐的升級，明確新曲拐的材質及熱處理方式，并經10 000次壽命試驗驗證，未發現新曲拐出現磨損。后續將逐步用新曲拐替代舊曲拐。