黃衛(wèi)東
(中國石油化工股份有限公司天津分公司,天津 300271)
某熱電廠7號鍋爐的乙側(cè)磨煤機正常運行電流為72.45 A,在運行過程中電流瞬間降低至34.31 A,經(jīng)現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn),乙側(cè)磨煤機的電機仍在運行,但磨煤機的減速機未運轉(zhuǎn),確認減速機的高速軸已經(jīng)發(fā)生斷裂(位于3瓦軸承側(cè))。
高速軸為減速機原裝的齒輪軸,于2008年投用,材質(zhì)為37SiMn2MoV。為查找高速軸的斷裂原因,進行了以下檢驗分析。
高速軸斷裂于減速機輸入端的軸承安裝部位,軸徑160 mm,斷裂面靠近軸肩處,距倒角處約3~5 mm,見圖1~圖2。由圖可見,斷口整體較為平齊,可區(qū)分出裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū),裂紋源區(qū)有貝殼狀條紋,并伴有多條撕裂棱,具有多源疲勞開裂特征【1】。斷口上瞬斷區(qū)的面積不足橫截面積的20%,由此可斷定該高速軸斷裂前并未出現(xiàn)明顯過載現(xiàn)象,見圖3~圖6。
斷軸外表面存在明顯的金屬剝離痕跡,剝離層沿圓周分布,與軸承的安裝位置基本對應,剝離層厚度為1~2 mm,見圖7~圖8。
圖1 齒輪側(cè)斷軸
圖2 軸承側(cè)斷軸
圖3 齒輪側(cè)斷口
在斷軸芯部取樣進行化學成分分析,結(jié)果(見表1)顯示,斷軸的化學成分符合設(shè)計標準GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中關(guān)于37SiMn2MoV的規(guī)定。
圖4 軸承側(cè)斷口
圖5 裂紋源區(qū)的放射狀條紋(6.5×)
圖6 擴展區(qū)的條帶形貌(6.5×)
圖7 軸承接觸部位的表面剝離層
圖8 斷軸橫向截面上的剝離層(6.5×)
同時,對斷軸表面取樣進行碳含量檢測,結(jié)果顯示,其表面含碳量為0.26%,明顯低于基體的碳含量0.39%。
表1 斷軸芯部化學成分分析結(jié)果 w,%
由于斷軸表面的碳含量明顯低于基體,初步分析斷軸表面可能進行了化學處理。對斷軸沿直徑方向切割取樣,拋磨后用5%硝酸酒精腐蝕,明顯可見3個不同的顏色區(qū)域:表面光亮層、中間黑色過渡層和內(nèi)部基體。其中,表面光亮層的深度約1~2 mm,中間黑色過渡層深度約3~4 mm,見圖9。
對表面光亮層和黑色過渡層進行元素能譜分析,發(fā)現(xiàn)表層金屬中氮含量明顯高于正常金屬的范圍,見圖10。因此,分析認為,斷軸表層進行了滲氮處理。
圖9 斷軸端面腐蝕后宏觀形貌
圖10 表層金屬能譜檢測譜
應用顯微硬度計對圖9中的表面光亮層進行硬度測試,平均硬度值為220 HB(約20.0 HRC)。應用洛氏硬度計沿直徑方向進行硬度測試(見圖11,其中1、5、6、9號測點為黑色過渡層部位),測試結(jié)果見表2。從表2中可以看出,斷軸過渡層的硬度值顯著高于基體和表面光亮層,即表層附近的硬度梯度變化較大。
圖11 斷軸硬度檢驗示意表2 硬度檢測結(jié)果
部位硬度值/HRC部位硬度值/HRC154.6652.7221.7720.8322.3821.0422.3954.9555.5
對斷軸端面取樣進行金相檢驗,表面光亮層(即滲氮處理中的化合物層)分布有黑色點狀孔洞,按文獻【2】評級,疏松等級為2~3級,基本符合一般零件要求,見圖12~圖13。
圖12 光亮層中夾雜物(100×,未腐蝕)
圖13 光亮層的組織(200×)
金相檢驗發(fā)現(xiàn),在表面化合物層和過渡層之間存在針狀的氮化物組織,見圖14~圖15。針狀的組織會使化合物層變得很脆,容易發(fā)生剝落,不符合零件滲氮的質(zhì)量要求。
圖14 過渡層中針狀組織(200×)
圖15 過渡層中針狀組織(500×)
同時,金相檢驗還發(fā)現(xiàn)過渡層中靠近化合物層側(cè)存在環(huán)向和徑向的微裂紋,部分微裂紋已相互連接,見圖16~圖19。裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象,屬于表面滲氮處理中產(chǎn)生的剝離裂紋。
圖16 過渡層中的周向裂紋(50×)
圖17 過渡層中的周向裂紋(100×)
在黑色過渡層中,存在著網(wǎng)狀的氮化物, 按文獻【2】評級, 氮化物等級為2~3級,基本符合一般零件要求,見圖20~圖21。
圖18 過渡層中的徑向裂紋(50×)
圖19 過渡層中的徑向裂紋(200×)
圖20 過渡層中的網(wǎng)狀組織(100×)
圖21 過渡層中的網(wǎng)狀組織(200×)
斷軸中部及芯部的基體組織為回火索氏體,組織較均勻,局部有少量夾雜物,見圖22~圖23。
圖22 斷軸中部組織(200×)
圖23 斷軸芯部組織(200×)
將斷軸去除表面的滲氮層,沿軸向取樣進行力學性能測試,結(jié)果見表3。由表3可見,斷軸的抗拉強度、屈服強度均低于設(shè)計標準GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中關(guān)于37SiMn2MoV的規(guī)定。
表3 力學性能試驗結(jié)果
查閱減速機的運行檢修記錄,此次斷裂的高速軸為減速機原裝齒輪軸,斷裂前已累計運行5.5萬h。由高速軸的轉(zhuǎn)速1 000 r/min計算,得出斷軸斷裂前的累計循環(huán)次數(shù)為3.3×109次。
2012年11月對減速機進行檢修,更換了 3號瓦側(cè)軸承;2014年5月檢修,更換了4號瓦側(cè)軸承;2017年10月檢修,將軸承全部更換,但歷次檢修均未對斷軸進行無損檢測。
查閱減速機2017年5月~11月的軸承振動檢測記錄(車間自測),顯示其最大位移值為6×10-2mm(標準值8×10-2mm),未發(fā)現(xiàn)振動超標現(xiàn)象。運行期間,電機的電流值一直較為穩(wěn)定,減速機未出現(xiàn)過載現(xiàn)象。
由上述檢驗結(jié)果可知,斷軸的化學成分、基體硬度符合設(shè)計要求。由于減速機運行中無電流過載和振動異常等現(xiàn)象,且斷軸斷口的瞬斷區(qū)面積又較小,因此,可排除運行中異常工況波動引起軸斷裂的可能性。
宏觀檢驗發(fā)現(xiàn),斷口整體呈多源疲勞斷裂特征,邊緣存在1~2 mm的金屬剝離層(表面化合物層),疲勞裂紋正是起源于剝離層下,與金相檢驗發(fā)現(xiàn)的微裂紋位置相符合。
由于軸表面化合物層與過渡層之間存在大量微裂紋和針狀組織,兩者的硬度值又相差較大(約30 HRC),因此,在循環(huán)載荷的作用下,軸表層的微裂紋會逐漸擴展,造成表面化合物層出現(xiàn)剝落;剝落產(chǎn)生的缺口又會加劇應力集中,進一步促進裂紋的擴展,最終導致高速軸發(fā)生疲勞斷裂。
某裝置7號鍋爐乙側(cè)磨煤機減速機高速軸的斷裂原因為制造質(zhì)量不合格,導致其在運行中發(fā)生了疲勞斷裂。
1) 制造廠應加強對軸制造質(zhì)量的控制,確保各項性能指標符合設(shè)計要求。
2) 建議熱電廠對減速機低速齒輪軸進行表面無損檢測。
3) 利用檢修時機,定期對高速軸進行表面宏觀檢查和無損檢測。