斗輪堆取料機(jī)大軸斷裂失效的原因分析

馮玉鋒

(內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限公司，呼和浩特 010206)

1 問題的提出

內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡稱托電公司)Ⅰ，Ⅱ期工程裝機(jī)為4×600 MW亞臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組。輸煤系統(tǒng)主要的存取煤設(shè)備為2臺斗輪堆取料機(jī)(以下簡稱斗輪機(jī))，其型號為DQ1500/1500-35。斗輪機(jī)堆料最大生產(chǎn)率為1 500 t/h，取料最大生產(chǎn)率為1 500 t/h，制造廠為上海電力環(huán)?？倧S。

自機(jī)組投運以來，煤炭供需矛盾日益突出，為了解決這個問題，托電公司對燃煤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后汽車來煤的比例逐漸增多，汽車來煤大多數(shù)直接卸入煤場。汽車來煤中大塊煤較多且煤場碾壓密度較高，使斗輪機(jī)在取煤時料斗阻力增大、大軸扭矩增加，2007年，Ⅰ，Ⅱ期工程輸煤系統(tǒng)的1臺斗輪機(jī)大軸在取料過程中突然斷裂，斗輪機(jī)退備。這是斗輪機(jī)投運以來最嚴(yán)重的設(shè)備事故，事故不僅對輸煤系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，也極大地影響了機(jī)組運行的可靠性，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 理化檢驗

2.1 斷軸宏觀分析

斗輪機(jī)大軸為上海電力設(shè)備總廠有限公司設(shè)計制造，其材料為40Cr，最終熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理。斷裂發(fā)生在軸徑?280 mm和?300 mm變徑部位處，變徑截面處設(shè)計倒角半徑為3 mm，斗輪機(jī)大軸示意如圖1所示。大軸斷裂宏觀形貌如圖2～圖7所示。

圖1 斗輪機(jī)大軸示意

圖2 斗輪機(jī)大軸斷裂軸取樣

圖3 大軸斷裂面形貌

圖4 大軸斷裂面中心部位形貌

圖5 大軸斷裂面中心及變截面處形貌

圖6 大軸斷裂面變截面處形貌1

圖7 大軸斷裂面變截面處形貌2

觀察了斗輪機(jī)軸的斷裂宏觀形貌，斷裂發(fā)生在軸的變截面部位，大軸的斷裂面比較平齊，斷口表面呈暗灰色。觀察了直徑?300 mm軸斷面，發(fā)現(xiàn)表面有嚴(yán)重?fù)p傷，損傷為扭轉(zhuǎn)力矩所致。由于托電公司煤場碾壓密度高及大塊煤較多，會使斗輪機(jī)大軸產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力矩。在變截面部位(如圖5、圖6所示)，靠外徑邊緣大約有20 mm徑深，斷面比較光滑，然后進(jìn)入擴(kuò)展區(qū)，在斷裂變截面邊緣，弧線比較圓滑。

2.2 機(jī)械性能試驗

在斷裂斗輪機(jī)大軸上取樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 拉伸和沖擊試驗數(shù)據(jù)(調(diào)質(zhì)處理)

從機(jī)械性能試驗數(shù)據(jù)分析可以看出，大軸取樣抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率處于較高水平，但取樣的沖擊功較低。

2.3 電鏡形貌

在斗輪機(jī)大軸中心部位取樣，對斷口形貌進(jìn)行電鏡觀察分析，斷口形貌為解理斷裂特征，其形貌如圖8所示。

圖8 大軸斷面中心部位電鏡形貌

2.4 金相組織分析

金相組織特征如圖9～圖12所示，大軸內(nèi)部組織中存在夾雜物，金相組織為回火索氏體+自由鐵素體。

圖9 大軸夾雜物組織1

圖10 大軸夾雜物組織2

圖11 大軸金相組織1

圖12 大軸金相組織2

3 斷裂原因分析

(1)對大軸斷口宏觀形貌特征進(jìn)行分析。斷口發(fā)生在變徑截面處，此處圓角較小，為應(yīng)力集中部位，斷口平齊，表面呈暗灰色，宏觀形貌基本無塑性變形特征，在電鏡下觀察大軸斷裂部位，為解理斷裂特征，大軸斷裂為脆性斷裂。

1)解理斷裂。解理斷裂是在正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，即斷裂面沿一定的晶面(即解理面)分離。解理斷裂常見于體心立方、密排六方金屬材料及合金材料，在低溫、沖擊載荷和應(yīng)力集中的情況下，促使其發(fā)生解理斷裂。面心立方金屬材料很少發(fā)生解理斷裂。解理斷裂通常是宏觀脆性斷裂，它的裂紋發(fā)展速度非?？?，常給零件或構(gòu)件造成災(zāi)難性的后果。

2)斷口特征。解理斷裂斷口的輪廓垂直于最大拉應(yīng)力方向，新鮮的斷口都是晶粒狀的，有許多強(qiáng)烈反光的小平面(亦稱為解理刻面)。解理斷口電子圖像的主要特征是“河流花樣”，河流花樣中的每條支流都對應(yīng)著一個不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。在解理裂紋擴(kuò)展過程中，眾多的臺階相互匯合，便形成了河流花樣(如圖8所示)。在河流的“上游”，許多較小的臺階匯合成較大的臺階，到了河流的“下游”，較大的臺階又匯合成更大的臺階。河流的流向恰好與裂紋擴(kuò)展方向一致。因此，可根據(jù)河流花樣的流向，判斷解理裂紋在微觀區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)展方向。

(2)對金相組織特征顯示的結(jié)果進(jìn)行分析。斗輪機(jī)大軸內(nèi)部存在夾雜物，金相組織為回火索氏體+自由鐵素體，從大軸調(diào)制處理工藝分析結(jié)果可以看出，大軸調(diào)質(zhì)后金相組織應(yīng)為回火索氏體組織，不應(yīng)該出現(xiàn)自由鐵素體。由于自由鐵素體的存在，說明大軸在熱處理工藝過程中存在偏離工藝。從機(jī)械性能試驗數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果可以看出，大軸抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率處于較高水平，這是由于金相組織中存在大量回火索氏體的緣故，但自由鐵素體的存在，對大軸的沖擊性能影響較大，導(dǎo)致大軸沖擊功較低，材料沖擊性能劣化，脆性傾向變大。

(3)對綜合因素進(jìn)行分析。斗輪機(jī)大軸為40Cr中碳調(diào)質(zhì)鋼，調(diào)質(zhì)后正常金相組織為回火索氏體，經(jīng)調(diào)質(zhì)后，具有良好的綜合力學(xué)性能。但大軸金相組織中存在夾雜物和自由鐵素體，這樣會導(dǎo)致材料的沖擊性能水平較低，材料的脆性傾向變大，斷裂變截面部位圓角較小，此處應(yīng)力集中較大，最終發(fā)生脆斷。

4 結(jié)論

托電公司斗輪機(jī)大軸斷裂的主要原因是在大軸變截面處圓角較小，存在應(yīng)力集中，大軸金相組織中存在自由鐵素體，導(dǎo)致大軸沖擊性能劣化。儲煤場大塊煤多及煤場碾壓密度高，導(dǎo)致斗輪機(jī)在取煤的過程中料斗與硬物相碰，對大軸造成很多的沖擊，最終使大軸發(fā)生脆性斷裂。

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