密封瓦是發電機密封油系統的重要組成部件,可以確保氫氣不發生泄漏。某核電廠發電機密封瓦表面的巴氏合金鍍層在運行1 a后就發生脫落現象,影響了發電機的安全運行。發電機密封瓦為碳鋼基體＋內襯鑄造錫基合金雙金屬軸瓦,基體材料為Q345R鋼,錫基合金材料為ZSnSb12Cu6Cd1軸承巴氏合金,密封瓦整體宏觀形貌如圖1所示。檢修期間發現密封瓦上的巴氏合金存在破損、脫落現象,密封瓦與密封座蓋接觸的一面上存在發黑跡象。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了密封瓦巴氏合金脫落的原因,以避免該類問題再次發生。 

圖  1  密封瓦整體宏觀形貌

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

密封瓦內襯被分割為上、中、下3個部分,其中上部為空氣側,下部為氫氣側,密封瓦內襯損傷主要集中在中部,損傷沿中部內襯周向無規律分布,損傷特征包括塊狀剝落、蜂窩狀孔洞及光亮的凹坑等(見圖2)。 

圖  2  密封瓦內襯巴氏合金的宏觀形貌

密封瓦由兩個半圓環組成,安裝要求密封瓦與密封座蓋間留有0.20～0.25 mm間隙(見圖3)。密封瓦基體正面內側和外側有兩條寬度約為5 mm的黑色圓環印跡,兩條圓環中心間距約為34.5 mm；兩條圓環上均存在細小的疑似蝕坑損傷,蝕坑分布無規律(見圖4)。依據密封瓦與密封座蓋的安裝要求,判斷密封瓦與密封座蓋間隙不足,服役時密封瓦轉動使其正面與密封座蓋相互磨擦,造成密封瓦正面形成黑色圓環印跡。 

圖  3  密封瓦與密封座蓋安裝示意

圖  4  密封瓦基體正面宏觀形貌

1.2   化學成分分析

利用電感耦合等離子發射光譜儀分析密封瓦內襯巴氏合金的化學成分,用直讀火花光譜儀分析密封瓦基體的化學成分,結果分別如表1,2所示。由表1,2可知：密封瓦內襯巴氏合金的Cu和As元素含量均低于GB/T 1174—1992 《鑄造軸承合金》及JB/T 4272—1994 《汽輪機錫基合金軸瓦技術條件》的要求；密封瓦基體的化學成分滿足GB/T 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求。 

1.3   金相檢驗

依據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》,分別將密封瓦損傷區及未損傷區進行切割、鑲嵌、打磨、拋光及腐蝕處理,腐蝕劑為4%(體積分數)硝酸乙醇溶液,密封瓦損傷區及未損傷區的顯微組織形貌分別如圖5,6所示。依據CB 1156—1992 《錫基軸承合金金相檢驗》,測量β相邊長及觀察β相分布,并對巴氏合金顯微組織中β相的質量進行評級。 

圖  5  未損傷區顯微組織形貌

圖  6  損傷區的顯微組織形貌

由圖5可知：未損傷區上部、中部及下部巴氏合金與基體結合良好,巴氏合金組織主要由α固溶體(Sb溶于Sn的固溶體,軟質相)＋白色針狀ε相(Cu6Sn5)＋白色塊狀立方形β相(SnSb,硬質相)組成,上部、中部及下部β相邊長級別及分布級別無差異,各區域β相邊長級別為1級,β相分布均勻,未見偏析現象,分布級別為1級。 

由圖6可知：損傷區上部、中部及下部巴氏合金與基體間未出現脫落現象,這些區域的β相邊長級別為1級；上部表面β相出現團聚現象,結合面無β相,β相偏析較嚴重,分布級別為3級；中部表面及結合面β相呈正方形和細小不規則分布,分布級別為2級,表面及靠近結合面均存在沿無β相區域擴展的裂紋；下部表面β相出現團聚現象,表面無β相,β相分布級別為3級。 

1.4   硬度測試

依據GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,利用布氏硬度計測試密封瓦內襯上部、中部及下部區域巴氏合金的硬度,硬度計壓頭直徑為2.5 mm,試驗力為306.5 N,測試結果如表3所示。由表3可知：密封瓦內襯巴氏合金硬度滿足GB/T 1174—1992的要求。 

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電子顯微鏡觀察密封瓦巴氏合金面損傷區的形貌,結果如圖7所示。由圖7可知：巴氏合金面蜂窩狀缺陷區由大量網狀裂紋組成,部分裂紋內鑲嵌有雜質；光亮的凹坑底部較為平整,可見裂紋擴展的特征形貌,這些裂紋形成網狀結構,進一步導致巴氏合金剝落；大塊脫落處底部可見準解理特征及疲勞條紋特征形貌。 

圖  7  巴氏合金損傷區SEM形貌

能譜分析結果顯示蜂窩狀缺陷區裂紋內的雜質主要由Fe、C、O等元素組成,推測密封瓦壓蓋與密封瓦接觸形成的磨損產物進入巴氏合金基體后,在這些位置萌生了裂紋并擴展。密封瓦服役期間會承受周期性載荷,巴氏合金因嵌入雜質而形成的初始裂紋會在周期性載荷作用下發生疲勞擴展。 

利用SEM觀察密封瓦基體,結果如圖8所示。由圖8可知：發黑及蝕坑處均由鑲嵌異物的小坑組成；未發黑區域存在加工痕跡,而基體發黑區域已無基體加工的車削痕跡,表明服役時密封瓦正面與密封座蓋發生磨損,導致基體表面粗糙度減小。 

圖  8  密封瓦基體SEM形貌

利用能譜分析儀對表面發黑處蝕坑底部異物、發黑區基體及未發黑區基體進行分析,蝕坑異物主要由C元素和O元素組成,判斷其為密封油殘留物；發黑區表面的氧元素含量高于未發黑區,說明發黑原因是密封瓦基體與密封座蓋摩擦發熱后,表面發生了氧化。 

2.   綜合分析

安裝密封瓦時,密封瓦與密封座蓋之間應留有0.20～0.25 mm間隙,使運行時密封瓦與座蓋不發生磨損,而破損的密封瓦基體上存在磨損發黑痕跡,表明實際運行時密封瓦與座蓋發生了相對轉動,使密封瓦及密封座蓋發生磨損。磨損產物隨著密封油進入密封瓦上部、中部及下部的流道內,密封瓦轉動時這些磨損產物鑲嵌到中部密封瓦巴氏合金的基體中,使巴氏合金表面產生缺陷。密封瓦基體正面整圈均存在發黑跡象,原因是磨損產生的熱量使密封油溫度上升,導致基體黏度降低、油膜變薄、邊界油膜性能下降[1－2],進一步影響密封瓦的服役性能。 

對于錫基巴氏合金,在Sn－Sb二元合金體系中,只有當Sb元素質量分數大于7.5%時,結構中才會出現塊狀β相SnSb；而Cu元素幾乎不溶于Sn元素,但少量的Cu元素能溶于α固溶體中,只有α固溶體中Cu元素過量才會生成細小ε相(Cu6Sn5)。ε相是β相SnSb立方晶體的結晶核心。在結晶過程中,ε相首先從溶體中以網狀形式結晶出來,因而可以阻止其后析出的β相因質量輕上浮而產生偏析,使形成的晶體更加均勻、細小[3]。破損的密封瓦內襯巴氏合金中Cu元素含量低于標準要求,使材料中ε相偏少,引起β相發生偏析。破損的密封瓦內襯巴氏合金中As元素含量低于標準要求,As元素通常固溶在基體內,起到細化晶粒、提高合金強度的作用,其含量偏低會降低巴氏合金的力學性能。 

正常的巴氏合金基體上應分布著均勻、彌散、細小的β相立方晶體,允許存在少量呈桿狀、針狀或點狀的晶體,晶體應無明顯方向性,垂直于基體,不允許存在偏析和堆積現象。如果β相的硬質質點較大或分布不均勻,在服役過程中,合金中單個晶體將承受過大的壓力并發生破裂。β相分布越不均勻,單個晶體受力也越大,晶內產生變形、滑移,會破壞晶界,使合金疲勞強度降低。只有β相的晶體較細、分布均勻,合金才能有較好的承載能力[4－5]。巴氏合金損傷區組織中β相分布不均勻,造成巴氏合金的承載能力變差,中部區域表面存在磨損產物,鑲嵌后形成了初始缺陷并萌生裂紋,而損傷區的β相不能有效阻止裂紋擴展,從而使裂紋沿著巴氏合金表面及內部擴展,最終導致巴氏合金脫落。 

3.   結論

安裝發電機密封瓦時,密封瓦與密封座蓋的安裝間隙不足,使密封瓦及密封座蓋發生磨損及發熱現象,磨損產物的存在使密封油油質劣化,并造成巴氏合金表面開裂,內襯巴氏合金材料的化學成分不合格,β相分布不均勻,導致其承載能力變差,在周期性載荷的作用下,密封瓦發生疲勞脫落。 

文章來源——材料與測試網