磨煤機(jī)磨輥斷裂失效分析

王建斌，畢虎才，高義斌

（1.大唐國(guó)際運(yùn)城發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044602；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

磨煤機(jī)磨輥斷裂失效分析

王建斌1，畢虎才2，高義斌2

（1.大唐國(guó)際運(yùn)城發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044602；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

某電站磨煤機(jī)磨輥發(fā)生斷裂，針對(duì)斷裂磨輥進(jìn)行化學(xué)分析、力學(xué)性能分析、金相分析，結(jié)果表明磨煤機(jī)磨輥斷裂是典型的疲勞斷裂失效，主要由于熱處理工藝控制不當(dāng)使組織性能達(dá)不到要求，在運(yùn)行工況中產(chǎn)生表面損傷，在長(zhǎng)期交變載荷作用下導(dǎo)致斷裂失效。

拉桿；斷裂；失效；疲勞

0 引言

某電廠鍋爐制粉系統(tǒng)的中速磨煤機(jī)磨輥多次發(fā)生斷裂事故，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全正常運(yùn)行。該磨煤機(jī)的碾磨部分是由轉(zhuǎn)動(dòng)的磨環(huán)和可自轉(zhuǎn)的3條磨輥組成，磨輥加載方式為液壓變加載，均勻作用至各個(gè)磨輥上，磨煤機(jī)磨輥設(shè)計(jì)材質(zhì)為42CrMo。

1 磨煤機(jī)磨輥斷裂失效試驗(yàn)分析

為了查清磨煤機(jī)磨輥斷裂原因，對(duì)斷裂磨輥進(jìn)行化學(xué)分析、力學(xué)性能分析、金相分析。

1.1 磨輥化學(xué)成分試驗(yàn)

對(duì)斷裂磨輥進(jìn)行化學(xué)試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 磨輥化學(xué)成分

化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明磨輥材質(zhì)符合GB3077—1988 88中42CrMo規(guī)定。

1.2 磨輥力學(xué)性能試驗(yàn)

在樣品上加工力學(xué)性能試樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 磨輥室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度偏低，不滿足技術(shù)要求。

1.3 斷裂磨輥宏觀斷口分析

斷裂磨輥宏觀斷口形貌特征見(jiàn)圖1，沒(méi)有宏觀塑性變形，有約1//3的面積晶粒較粗大，有完整的疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速斷裂區(qū)。斷口存在兩處明顯的疲勞弧線，分別位于5區(qū)以上擴(kuò)展區(qū)和7區(qū)附近擴(kuò)展區(qū)。疲勞弧線類(lèi)似貝殼狀，也稱海灘狀條紋，是金屬宏觀疲勞斷口的典型特征，也是鑒別疲勞斷口的重要依據(jù)[1-2]。斷口瞬斷區(qū)表面局部呈現(xiàn)晶粒表象，顏色比較暗淡；另外，存在不同程度晶粒多面體特征，局部表現(xiàn)為脆性沿晶斷裂，也就是說(shuō)，在疲勞擴(kuò)展到一定程度，發(fā)生脆性斷裂的失效。由此可以判斷該斷裂屬于疲勞脆性斷裂。

由圖1可以看出，根據(jù)疲勞條紋的擴(kuò)展方向及斷口宏觀臺(tái)階的擴(kuò)展，可以確定斷口存在3處源疲勞源，每個(gè)疲勞源宏觀斷口都包括裂紋源與開(kāi)裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，在疲勞源a和疲勞源c的附近存在明顯的疲勞弧線，疲勞源a沿垂直于貝殼花紋疲勞弧線的方向擴(kuò)展；其中產(chǎn)生臺(tái)階的擴(kuò)展疲勞源b不太明顯，但明顯的解理臺(tái)階可以初步推斷存在疲勞源b，且在不同水平的解理臺(tái)階存在相連續(xù)的、從疲勞源a發(fā)展來(lái)的疲勞條紋；疲勞源b沿9區(qū)擴(kuò)展，與疲勞源a擴(kuò)展相互影響，交叉擴(kuò)展，在有應(yīng)力、碳化物聚集或大塊夾雜的地方，產(chǎn)生局部解理臺(tái)階（宏觀表象見(jiàn)9區(qū)）。這個(gè)現(xiàn)象可以說(shuō)明疲勞源a和疲勞源b是交互擴(kuò)展的。

隨著3處疲勞源擴(kuò)展的進(jìn)行，磨輥局部的單位面積應(yīng)力在逐漸增大，疲勞弧線之間的距離也在變大，疲勞裂紋擴(kuò)展速度增大[3]，隨著解理裂紋的擴(kuò)展，到局部平均應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí)，發(fā)生脆性沿晶間斷裂。

圖1 磨輥斷口宏觀形貌及分區(qū)

1.4 磨輥斷口分區(qū)取樣金相

在磨輥斷口的不同區(qū)域取樣，采用機(jī)械拋光，5%硝酸酒精溶液浸蝕，在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。

9 區(qū)疲勞源b外表處組織為鐵素體加少量珠光體，見(jiàn)圖2a；7區(qū)疲勞源外表處組織為板條馬氏體，淬硬性明顯，見(jiàn)圖2b；5區(qū)組織為網(wǎng)狀鐵素體加珠光體，見(jiàn)圖2c；瞬斷區(qū)心部組織為針狀上貝氏體+碳化物，見(jiàn)圖2d。從圖2a和2c對(duì)比可以看出，磨輥局部表面珠光體含量低，存在脫碳現(xiàn)象，5區(qū)和瞬斷區(qū)心部組織的差異也表明組織在冷卻過(guò)程中的不均勻；分析9區(qū)珠光體含量少，其原因主要是磨輥在淬火后回火過(guò)程中，溫度偏高，局部脫碳所導(dǎo)致。瞬斷區(qū)金相組織為上貝氏體+碳化物，組織較粗大，分析此處組織在初次淬火冷卻過(guò)程中速度略慢，未能得到馬氏體，同時(shí)，在回火溫度略高的情況下析出部分碳化物，而上貝氏體組織強(qiáng)度高、韌性略差于回火索氏體；中心部位組織不一，形態(tài)不一，性能差異較大。從圖3可以看出，組織內(nèi)部同時(shí)存在微裂紋及分層組織，也表明組織的不均勻。

圖2 磨輥斷口不同區(qū)域金相

圖3 磨輥斷口內(nèi)部裂紋及分層組織

金相分析表明磨輥表層組織局部存在脫碳，未得到有效的回火馬氏體；中心部位及表層組織存在明顯差異，這種差異會(huì)加速疲勞裂紋的擴(kuò)展。

2 磨輥斷裂失效綜合分析

磨輥化學(xué)成分符合42CrMo規(guī)定，材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度偏低，表層、中心部位金相組織不均勻，在多處疲勞源存在的情況下，受到復(fù)雜的交變載荷作用，直至發(fā)生疲勞脆性斷裂。

斷裂磨輥宏觀斷口有完整的疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速斷裂區(qū)。斷口存在兩處明顯的疲勞弧線，分別位于5區(qū)以上擴(kuò)展區(qū)和7區(qū)附近擴(kuò)展區(qū)。最終斷裂表現(xiàn)為脆性沿晶斷裂，也就是說(shuō)，隨著疲勞源擴(kuò)展的進(jìn)行，拉桿局部的單位面積應(yīng)力在逐漸增大，疲勞弧線之間的距離也在變大，疲勞裂紋擴(kuò)展速度增大，隨著解理裂紋的擴(kuò)展，到局部平均應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí)在疲勞擴(kuò)展到一定程度，發(fā)生脆性斷裂的失效。由此可以判斷該斷裂屬于疲勞脆性斷裂。

根據(jù)疲勞條紋的擴(kuò)展方向及斷口宏觀臺(tái)階的擴(kuò)展，可以確定斷口存在3處源疲勞源，每個(gè)宏觀斷口都包括裂紋源與開(kāi)裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)是由多源疲勞源交互擴(kuò)展形成的，磨輥在組織不均勻及內(nèi)應(yīng)力的條件下承受外界的交變載荷作用，產(chǎn)生局部解理臺(tái)階（宏觀表象見(jiàn)9區(qū)）。

42 CrMo的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms點(diǎn)為310℃，加熱上臨界點(diǎn)Ac3為775℃[4]，如果冷卻速度不夠，或冷卻速度及區(qū)域不均勻，有可能在Ms點(diǎn)以上，加熱下臨界點(diǎn)Ac1溫度以下得到部分珠光體+鐵素體，或者貝氏體組織，就會(huì)產(chǎn)生組織的不均勻；中心部位及表層組織存在明顯差異，磨輥表層組織局部存在脫碳，這些差異會(huì)加速疲勞裂紋的擴(kuò)展。

3 結(jié)論

磨煤機(jī)磨輥的斷裂是典型的疲勞斷裂失效；熱處理工藝控制不當(dāng)使組織性能達(dá)不到要求，力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度偏低，在運(yùn)行工況中產(chǎn)生表面損傷，在長(zhǎng)期復(fù)雜的交變載荷作用下導(dǎo)致斷裂失效。

［1］ 鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2005：184-186.

［2］ G.亨利，D.豪斯特曼.宏觀斷口學(xué)及顯微斷口學(xué)［M］.曾祥華，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979：58-90.

［3］ 張海峰，王春芬，張永輝，等.軋輥斷裂原因分析［J］.熱加工工藝，2008（2）：114-116.

［4］ 姜求志，王金瑞.火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004：841-843.

Failure Analysis of Grinding Roller Rupture on Coal Pulverizer

WANG Jian-bin1，BIHu-cai2，GAO Yi-bin2
（1.Datang International Yuncheng Power Generation Co.，Ltd，Yuncheng，Shanxi 044602，China；2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Rupture occurred on the grinding roller of coal pulverizer in a power plant.Chemical analysis，mechanics property analysis and metallographic analysis were done to figure out the reason of rupture,and the results show that itwas a typical fatigue failure.Unsuitable control of heat treatment led to substandardness of structure property so that rupture failure happened under longterm alternate load.

grinding roller；rupture；invalidation；fatigue

TK223.25

A

1671-0320（2012）04-0045-03

2012-03-19，

2012-06-12

王建斌（1974-），男，廣西桂林人，1997年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)熱能動(dòng)力專業(yè)，工程師，從事電站金屬部件監(jiān)督管理工作；

畢虎才（1978-），男，山西五寨人，2001年畢業(yè)于太原理工大學(xué)金相專業(yè)，工程師，從事電廠金屬部件材料性能分析及理化探傷工作；

高義斌（1979-），男，山西襄垣人，2005年畢業(yè)于太原理工大學(xué)材料加工工程專業(yè)，工程師，從事電站金屬部件檢驗(yàn)分析工作。