撈渣機(jī)鏈環(huán)斷裂分析

谷樹(shù)超，李 俊，王 松，李 炅，劉宇哲

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090)

0 引言

撈渣機(jī)是火力發(fā)電機(jī)組的重要輔助設(shè)備，其結(jié)構(gòu)部件的失效，會(huì)給電廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。撈渣機(jī)鏈條設(shè)備是撈渣機(jī)的重要部件，由鏈環(huán)和刮板組成，由于設(shè)計(jì)、工作環(huán)境的影響，其故障率較高[1-2]。超超臨界機(jī)組容量1 000 MW、過(guò)熱蒸汽流量2 955 t/h，采用刮板撈渣機(jī)設(shè)備除渣，其電機(jī)功率55 kW，出力10.8 t/h。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，撈渣機(jī)鏈環(huán)發(fā)生斷裂失效，鏈環(huán)材質(zhì)為39NiCrMo3，表面采用滲碳處理。為查明鏈環(huán)斷裂失效的原因及材質(zhì)斷裂時(shí)的相關(guān)性能變化，對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)及分析，且利用ANSYS有限元模擬分析方法分析鏈環(huán)在實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)力分布規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

利用Axio Oberver.D1m 倒置萬(wàn)能材料顯微鏡分析各試樣的組織形態(tài)；利用UH250布洛維臺(tái)式硬度計(jì)和402MVD顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度分析；利用SPECTROMAXx全定量金屬元素分析儀進(jìn)行材質(zhì)分析；利用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對(duì)鏈環(huán)斷口進(jìn)行分析。利用ANSYS有限元分析軟件，在結(jié)構(gòu)狀態(tài)非線性下，采用軟件中的智能網(wǎng)格化分模塊，對(duì)鏈環(huán)的受力簡(jiǎn)化模型進(jìn)行加載受力分析，模擬鏈環(huán)的應(yīng)力分布。

2 分析與討論

2.1 化學(xué)成分分析

撈渣機(jī)鏈環(huán)材料為39NiCrMo3(EN 10083:3—2006標(biāo)準(zhǔn))，相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)材料40CrNiMoA(GB/T 3077—2015)。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩種材料的主要化學(xué)成分及熱處理工藝規(guī)定如表1所示。

由表2可知，鏈環(huán)心部C含量偏低，Mn、Ni元素含量較高于標(biāo)準(zhǔn)要求，兩種元素能顯著提高鋼的淬透性[3]，某種程度上使鋼淬火、回火后硬度提高。其他化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)EN 10083:3—2006對(duì)39NiCrMo3的規(guī)定要求。對(duì)鏈環(huán)表層進(jìn)行光譜分析，C含量為0.633%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其他元素含量基本和心部一致，由此可知表面經(jīng)滲碳處理，斷口周邊較光亮平整區(qū)域?yàn)闈B碳層。

對(duì)鏈環(huán)心部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室光譜分析，具體分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 39NiCrMo3和40CrNiMoA化學(xué)成分及熱處理工藝Table 1 Chemical composition and heat treatment process of 39NiCrMo3 and 40CrNiMoA

表2 鏈環(huán)心部化學(xué)成分分析 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 2 Chemical composition analysis result of chain core (mass fraction /%)

2.2 宏觀形貌分析

鏈環(huán)斷裂部分宏觀照片如圖1所示。由圖可知，兩斷口分別位于兩側(cè)直邊，斷口1位于中間位置，斷口2靠近圓弧的摩擦部位，為圓弧段和直邊段的過(guò)渡區(qū)域。進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)兩斷口基本為平斷口，斷口與鏈環(huán)軸垂直，斷口毗鄰部位未發(fā)生明顯塑性變形，整個(gè)斷口表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。斷口2和斷口1相比，不甚平整，呈現(xiàn)由環(huán)內(nèi)弧面向外弧面擴(kuò)展的放射條紋(圖2)，結(jié)合鏈條環(huán)的受力可知，斷口1為先期斷裂，在拉力作用下，進(jìn)而發(fā)生斷裂形成斷口2。斷口1經(jīng)進(jìn)一步宏觀觀察，可見(jiàn)斷面略呈斜向分布，周邊表層較平細(xì)，心部較粗糙(圖3)，這可能與表面滲碳處理有關(guān)。進(jìn)一步觀察，斷口邊緣處有一亮點(diǎn)(a點(diǎn))，并可見(jiàn)由此亮點(diǎn)起始向兩側(cè)擴(kuò)展的人字紋環(huán)花樣，且右側(cè)人字紋近內(nèi)邊緣有曲折的二次裂紋分布，擬為表面滲碳處理層的過(guò)渡區(qū)。在粗糙的心部斷面區(qū)域，可見(jiàn)自下而上的擴(kuò)展條紋分布。由此可見(jiàn)，開(kāi)裂起始于鏈環(huán)斷面的a點(diǎn)，先期沿外周滲碳層左右擴(kuò)展，然后整體向12點(diǎn)鐘方向(b點(diǎn))擴(kuò)展至斷裂。

2.3 斷口掃描電鏡分析

對(duì)斷口1的起始區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)進(jìn)行掃描電鏡斷口分析，其各區(qū)形貌如圖4所示。由圖可知，斷口起始區(qū)低倍形貌較為平坦，并可見(jiàn)由邊緣起始、向上擴(kuò)展的放射狀條紋分布，斷面次表層可見(jiàn)沿周向連續(xù)分布的二次裂紋(圖4a)。斷面此區(qū)域高倍形貌如圖4b所示，可見(jiàn)斷面基本呈沿晶開(kāi)裂形態(tài)，并且邊緣表面有顆粒狀物質(zhì)嵌入分布。對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行X射線能譜分析(圖5)，可看出該物質(zhì)除基體元素外，主要含O(36.79%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、Ca(1.26%)、S(0.29%)等元素，擬為鏈環(huán)基體氧化物與爐渣的混合物質(zhì)。

圖1 斷裂鏈環(huán)宏觀形貌Fig.1 Macrograph of fractured chain

圖2 鏈環(huán)斷口宏觀形貌Fig.2 Macrograph of fractures

圖3 斷口1宏觀形貌Fig.3 Macrograph of fracture 1

斷面近心部擴(kuò)展區(qū)低倍下形貌比較粗糙，同樣可見(jiàn)自下而上的擴(kuò)展條紋分布(圖4c)，高倍下可見(jiàn)明顯的韌窩花樣(圖4d)。斷面近終斷區(qū)邊緣可見(jiàn)多處臺(tái)階形貌分布，高倍下可見(jiàn)該區(qū)域斷面呈沿晶及準(zhǔn)解理混合花樣(圖4e、圖4f)。

2.4 金相分析

對(duì)斷口1橫截面進(jìn)行金相組織觀察，金相照片如圖6所示。由圖可知，鏈環(huán)表面滲碳層厚度約為2 mm，環(huán)向二次裂紋基本位于滲碳層與基體過(guò)渡區(qū)域，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，此裂紋并非連續(xù)，但其方向基本一致，均位于滲碳層與基體過(guò)渡區(qū)域，沿鏈環(huán)滲碳層圓周方向擴(kuò)展。斷面外表面近滲碳層處組織為針狀馬氏體和殘余奧氏體，馬氏體針長(zhǎng)10～20 μm，依據(jù)《鋼件滲碳層淬火回火金相組織檢查》標(biāo)準(zhǔn)，馬氏體級(jí)別可評(píng)為4級(jí)，殘余奧氏體為3級(jí)。鏈環(huán)心部組織為低碳馬氏體、貝氏體和少量游離鐵素體混合組織(圖6c)，心部組織評(píng)定級(jí)別為3級(jí)。形成的馬氏體組織硬度較大，耐磨性較好，但脆性較大，在沖擊載荷作用下，容易發(fā)生脆性開(kāi)裂[4]。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，從滲碳工藝角度對(duì)鏈環(huán)組織進(jìn)行評(píng)判，鏈環(huán)此斷面近滲碳層和心部組織正常。

圖4 斷口起始區(qū)(a、b)、擴(kuò)展區(qū)(c、d)和終斷區(qū)(e、f)掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.4 SEM images of source area (a, b), propagation area (c, d) and fast fracture area (e, f) of fracture

2.5 硬度分析

采用顯微硬度計(jì)和布氏硬度計(jì)，分別對(duì)斷口橫截面和對(duì)照試樣滲碳層及心部進(jìn)行硬度試驗(yàn)，各位置及對(duì)應(yīng)硬度值如圖7所示。

鏈環(huán)出廠要求規(guī)定滲碳層硬度不低于HV30730。由圖7可知，失效鏈環(huán)斷面1滲碳層硬度低于工件出廠要求，而對(duì)照試樣在出廠要求范圍內(nèi)。由于鏈環(huán)試樣熱處理工藝未知，參考40CrNiMoA供應(yīng)狀態(tài)下的硬度標(biāo)準(zhǔn)(回火溫度550～650 ℃，HB≤269)[5]可知，斷裂鏈環(huán)心部硬度超出標(biāo)準(zhǔn)硬度上限，對(duì)比試樣硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)上限。失效鏈環(huán)滲碳層、心部組織和出廠標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)比試樣之間的硬度差異，反映出此部件出廠時(shí)的熱處理工藝參數(shù)選擇不當(dāng)[6]。

3 有限元分析

為模擬撈渣機(jī)鏈環(huán)實(shí)際工作中的應(yīng)力分布，采用有限元計(jì)算模型，利用ANSYS軟件模擬了鏈環(huán)不同部位的應(yīng)力分布規(guī)律[7-8]。計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)鏈條實(shí)際尺寸建立模型，不考慮鏈環(huán)的塑性變形和相對(duì)滑動(dòng)，假設(shè)鏈環(huán)一端固定，另一端內(nèi)側(cè)受均布?jí)毫9]，即在一端鏈環(huán)內(nèi)側(cè)弧面上施加大小為50 MPa壓力，等效于63.875 kN的工作荷載，另一端鏈環(huán)端點(diǎn)施加固定約束。計(jì)算過(guò)程采用solid186單元?jiǎng)澐纸Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在鏈環(huán)接觸區(qū)域設(shè)置接觸對(duì)，采用targe170和conta174單元?jiǎng)澐纸佑|面單元，網(wǎng)格模型如圖8所示。

經(jīng)模擬計(jì)算，鏈環(huán)的應(yīng)力分布如圖9所示。由此可知，鏈環(huán)內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏈環(huán)圓弧段與直段的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)側(cè)(圖9紅色區(qū)域所示，與鏈環(huán)實(shí)際最終斷口2位置極為接近)，這表明此區(qū)域在實(shí)際服役過(guò)程中，容易發(fā)生疲勞失效。模擬結(jié)果與鏈環(huán)實(shí)際2個(gè)斷口所反應(yīng)的信息一致。

圖5 斷面起始區(qū)嵌入物能譜曲線Fig.5 Spectrum curve of impurities at the source area

圖6 鏈環(huán)滲碳層裂紋 Fig.6 Cracks at the carburized layer

圖7 鏈環(huán)滲碳層及心部硬度Fig.7 Hardnessofcarburizedlayerandcore圖8 鏈環(huán)網(wǎng)格模型Fig.8 Meshmodelofchain

4 結(jié)論

1)鏈環(huán)材質(zhì)Mn、Ni元素含量較高，使工件淬透性提高，進(jìn)而使其硬度提高，脆性變大。

2)斷口呈現(xiàn)脆性斷裂，斷口起始于脆性較大的滲碳層表層區(qū)域，該區(qū)域覆蓋有氧化物及爐渣類物質(zhì)，并可見(jiàn)有凹坑形貌。斷口起始區(qū)域內(nèi)的滲碳層過(guò)渡區(qū)存在環(huán)形二次裂紋，經(jīng)硬度分析，鏈環(huán)心部組織硬度較高。

3)鏈環(huán)環(huán)形裂紋的出現(xiàn)以及心部較高的硬度值均表明，鏈條成品時(shí)的熱處理工藝欠佳致使材料脆性較大且易生成原始的裂紋缺陷。后期運(yùn)行過(guò)程中，在外力循環(huán)載荷作用下，表面上或表面凹坑處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中分布，從而萌生裂紋而致鏈環(huán)斷裂。

圖9 鏈環(huán)應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of chain

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