中國石化齊魯分公司烯烴廠三元制冷壓縮機GB801投運于2004年10月，2008年11月首次發生潤滑油注入壓力降低，通過旋緊調節螺栓以壓緊彈簧后潤滑油壓力恢復正常，之后發生潤滑油壓力降低的情況均采用同樣的措施予以處理，直到潤滑油二級壓力自力調節閥（PCV-2055）閥后注入點壓力降低，潤滑油壓力由正常的160kPa降至90kPa，打開自力調節閥發現其中的彈簧斷成6段。筆者對發生斷裂的彈簧進行了詳細的斷口形貌分析、材料分析、金相組織分析和彈簧工作狀態的受力分析，目的是為了弄清彈簧斷裂的原因，避免同類機組的自力調節閥出現類似問題，為制冷壓縮機組的可靠運行提供技術保障。

    1 彈簧斷口形貌分析

    1.1 斷口宏觀分析

    根據螺旋壓縮彈簧的受力特點以及斷裂的斷口形貌磨損程度判斷，以往每次自力調節閥潤滑油壓力降低的原因都是彈簧發生了斷裂（圖1），斷裂成6段并非一次造成而是先后發生了5次斷裂（表1），這與運行記錄資料的記載是一致的。

圖1 彈簧整體宏觀斷裂形貌（左：頂端，右：底端）

表1 彈簧斷裂概況

    自力調節閥彈簧整體呈亮黑色，表面無金屬光澤，彈簧最底部的斷裂部分表面有腐蝕凹坑并存在棕黃色的銹層，彈簧的內側均有彌散分布的顆粒狀結垢物分布。從彈簧斷裂的宏觀斷口形貌分析，該彈簧發生5次斷裂的斷口形貌類似，具有典型的疲勞斷口特征，疲勞裂紋源區位于彈簧的內側表面處，斷口表面整體呈螺旋面形狀且明顯分成兩個區域（圖2）：靠近彈簧內側斷口光滑的疲勞裂紋擴展區（約占斷口面積的35%～45%左右），仔細觀察存在疲勞輝紋；靠近彈簧外側粗糙呈脆斷特征的瞬斷區（約占斷口面積的55%～65%左右）。根據彈簧瞬斷區和擴展區的相對面積判斷，由于擴展區面積相對較小，因此該彈簧所受的應力載荷較大；瞬斷區外側有較小剪切唇存在，整個彈簧斷口無明顯塑性變形。

圖2 斷口宏觀形貌

    1.2 斷口微觀分析

    在掃描電鏡下觀察，彈簧微觀斷口各個區域特征明顯。靠近彈簧內圈表面的疲勞裂紋源區上有早期摩擦痕跡及滑移線存在（圖3）；彈簧疲勞斷口擴展區可觀察到清晰的疲勞條帶（圖4）。疲勞條帶對應于彈簧的載荷循環，應力幅發生變化條帶間距也有相應的變化：應力幅增加，條帶間距加寬；應力幅降低，條帶間距變窄。擴展區與瞬斷區界限明顯，瞬斷區呈粗糙撕裂棱形貌，局部呈韌窩形貌（圖5）。

圖3 疲勞裂紋起裂源區

圖4 疲勞裂紋擴展區的疲勞輝紋

圖5 瞬斷-剪切唇交界區

    2 彈簧材質檢驗

    2.1 化學成分分析

    根據潤滑油自力調節閥的技術資料，該彈簧材料應為日本SWOSM-H（中國60Si2Mn）或SUP10（中國50CrVA），故對發生斷裂的彈簧進行材質成分分析，結果見表2。該彈簧材料為Si-Mn彈簧鋼，其成分不是日本的SUP10，但與SUP7成分接近，該成分與我國55Si2Mn的比較吻合，此鋼種在GB/T1222-2005中已取消。

表2  彈簧材質成分分析結果    %

    2.2 金相組織檢驗

    彈簧鋼的熱處理狀態一般采用870℃油淬火480℃回火，正常狀態應為回火馬氏體組織。靠近斷口附近取金相試樣，圖6為斷裂彈簧的微觀組織，其基體組織為回火馬氏體和白色小塊鐵素體，心部組織出現鐵素體，表明淬火不足致使基體奧氏體未充分均勻化，或者冷卻較慢使鐵素體先行析出，說明彈簧的熱處理過程存在一定的缺陷。

圖6 斷裂彈簧的微觀組織

    3 彈簧斷裂原因分析

    3.1 壓縮彈簧的受力特點分析

    彈簧的疲勞破壞過程往往是由裂紋的成核、形成、擴展直至發生突然脆斷幾個過程組成。大量的實驗證明，在循環載荷的作用下螺旋彈簧其破壞斷口形狀是沿螺旋彈簧內徑表面與彈簧軸線呈45°方向由內向外斷裂，裂紋源多數起源于彈簧內徑表面處，斷裂截面呈45°并有放射狀花樣從裂紋源向外擴展，斷口呈脆斷無明顯塑性變形。這種斷裂特征與彈簧的受力特點及材料種類具有密切關系。

    分析彈簧工作狀態下任一橫截面的受力可知，在壓縮載荷P的作用下，其任一截面主要受扭矩T和橫剪力Pr的作用（圖7），兩種內力在彈簧截面上均產生切應力。兩種切應力合成后在螺旋彈簧截面上形成的分布規律如圖8所示，且在彈簧內表面處疊加成最大切應力。

圖7 彈簧結構及受力分析

圖8 彈簧截面應力分布規律

    分析彈簧的應力狀態（圖9），彈簧內表面處最大主應力與彈簧中心線成45°方向，而彈簧開裂擴展的方向正是與最大主拉應力方向垂直，呈螺旋方向。彈簧材料均為含碳量較高，其強度高，塑性差，斷裂狀態屬于正斷型，沿最大拉應力方向開裂，而不是沿截面最大切應力方向的切斷型。因此對于承受壓縮載荷的自力調節閥圓柱螺旋彈簧，在軸向載荷作用下彈簧鋼絲的任意橫截面內，存在兩種剪應力———彎曲剪應力和扭轉剪應力。兩者相加，在彈簧的外圓為高應力區，而在彈簧內圈的鋼絲表面上的剪應力最大，斷裂往往從內圈鋼絲表面上開始。這與本次PCV-8055閥的5個斷口形貌的起裂位置均位于內表面處與其受力特點是吻合的。

圖9 彈簧應力狀態分析

    3.2 組織狀態對彈簧安全性的影響

    由于彈簧微觀組織中存在的少量鐵素體致使彈簧材料的疲勞強度會顯著降低。同時在對彈簧進行取樣時發現彈簧表面硬度較心部硬度低，說明彈簧表面可能存在一定的脫碳現象。若彈簧表面存在嚴重的氧化和脫碳現象，將降低彈簧的表面疲勞強度，使用時氧化脫碳層很快成為疲勞源，造成彈簧過早斷裂。若彈簧表面存在缺陷，就會在彈簧缺陷處形成疲勞微裂紋，隨后逐漸擴展，導致早期斷裂失效。

    3.3 閥門彈簧材料的選擇

    一般對于使用介質腐蝕性不強的閥門在2007年以前常用的材料主要是Si-Mn鋼如55Si2Mn，55Si2Mn強度大、彈性極限好，屈強比高，熱處理后韌性較好，焊接性差，冷變形塑性低。宜油淬，水淬時有形成裂紋傾向，無回火脆性傾向，且具有抗回火穩定和抗松弛穩定性。鋼中夾雜物較高，軋制較困難，表面易出疵病，脫碳傾向大，適宜在淬火并中溫回火狀態下使用。我國標準GB/T1222-2005中已把此鋼號去除。

    重要場合使用的閥門及安全閥通常采用Cr-V鋼如50CrVA，50CrVA有較高的韌性、強度、彈性極限、疲勞強度、屈強比和淬透性，較低的彈性模量；熱處理時過熱和脫碳傾向小，沖擊韌性較好；焊接性差，冷變形塑性低，熱加工時具有形成白點的敏感性；主要在淬火并中溫回火后使用。由于鋼中含有V，可使鋼材的晶粒細化，提高疲勞強度。主要適用于制造大截面的高載荷重要彈簧及工作溫度低于300℃的閥門彈簧和活塞彈簧等。

    鑒于以上兩種彈簧鋼的特點，建議在重要的潤滑油自力調節閥上配用50CrVA（日本SUP10）以提高彈簧的疲勞強度，延長彈簧的使用壽命。

    3.4 彈簧斷裂原因分析

    根據PCV-8055潤滑油自力調節閥的工作特點，該閥實際上是減壓閥，正常工作時，閥前壓力為980kPa，閥后壓力為240kPa，壓力調節靠彈簧壓縮力頂開閥片，閥前潤滑油系統壓力出現波動時，彈簧壓縮量自動調整保證閥后壓力相對穩定，因此該閥的彈簧處于壓縮疲勞工況下運行。

    根據彈簧的斷裂形貌分析以及在工作過程中存在潤滑油壓力波動的客觀事實，可知該彈簧的斷裂屬于疲勞斷裂。微觀形貌分析和彈簧的受力分析表明，彈簧內表面處是5次發生斷裂的疲勞裂紋源，每次彈簧斷裂后，閥片在閥前壓力的作用下開度減小，造成閥的節流效應增加，閥后壓力降低。而經過進一步頂進旋緊螺栓后，剩余彈簧保持了對閥片的頂開力，以同樣的方法處理維持了該閥自第一次斷裂后的運行。

    該自力調節閥自投用至第一次斷裂時間為4年左右，屬于早期疲勞斷裂。主要原因是彈簧的熱處理狀態存在不足，微觀組織中存在鐵素體和表面脫碳現象的存在降低了彈簧的疲勞強度，導致了彈簧發生過早疲勞斷裂。

    4 結論

    4.1 自力調節閥PCV-8055彈簧斷裂屬于早期疲勞斷裂，斷成6段并非一次發生而是分5次斷裂的；

    4.2 彈簧存在熱處理缺陷，淬火溫度不足或冷卻較慢產生了鐵素體組織，再加上彈簧表面脫碳現象的存在致使其疲勞強度降低，縮短了疲勞壽命。