吹灰器跑車(chē)20CrMnTiH齒輪斷裂分析

孫少波，余凌

（國(guó)能神福（石獅）發(fā)電有限公司，福建 泉州 362000）

鍋爐屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器、高溫再熱器等受熱面是電站鍋爐的重要部件，配備于此的長(zhǎng)伸縮式吹灰器的槍管斷裂、彎曲變形、撞傷受熱面等故障，直接威脅鍋爐的正常穩(wěn)定運(yùn)行，間接造成鍋爐效率降低和經(jīng)濟(jì)損失，因此，長(zhǎng)伸縮吹灰器安全、穩(wěn)定地運(yùn)行是吹灰器維護(hù)檢修工作的首要目標(biāo)。國(guó)能神福（石獅）發(fā)電有限公司鍋爐長(zhǎng)伸縮式蒸汽吹灰器型號(hào)為Diamond IK-555型，吹灰器跑車(chē)主軸左右各配備一個(gè)行走齒輪。在使用某廠生產(chǎn)的IK-555吹灰器跑車(chē)期間，發(fā)生了兩起吹灰器跑車(chē)行走齒輪斷裂導(dǎo)致的吹灰器槍管卡在爐內(nèi)事故，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。為分析齒輪斷裂原因，抽取1個(gè)已使用6年的正常運(yùn)行跑車(chē)行走齒輪與事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的4個(gè)斷裂齒輪進(jìn)行理化檢驗(yàn)與對(duì)比分析。

1 齒輪資料

原廠資料表明，行走齒輪為低速直齒圓柱齒輪，材質(zhì)為20CrMnTiH，齒數(shù)為12，壓力角為20°，跨測(cè)針尺寸為60mm。齒輪原材料交貨狀態(tài)為熱軋，齒輪熱處理工序?yàn)闈B碳淬火-回火。齒輪滲碳層深為0.58～0.97mm，表面硬度HR15N88-91（54-61），芯部硬度HRC28-40。齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 行走齒輪結(jié)構(gòu)圖

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀檢驗(yàn)

圖2是斷裂齒輪的宏觀形貌，4個(gè)齒輪均從鍵槽處斷裂，其中3個(gè)齒輪為對(duì)半裂開(kāi)，鍵槽部位截面較窄，初步判斷第一斷口在鍵槽處，四個(gè)斷裂齒輪的斷口表面平整呈結(jié)晶狀，周?chē)匆?jiàn)塑性變形跡象，具有典型的脆性斷裂特征（圖3）。

圖2 斷裂齒輪宏觀形貌

2.2 光譜分析

將4個(gè)斷裂齒輪及1個(gè)舊齒輪芯部打磨見(jiàn)金屬本色后進(jìn)行光譜分析（圖3），結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 光譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖3 斷裂齒輪的斷口形貌

由光譜分析可知，舊齒輪材質(zhì)符合要求，斷裂的新齒輪材質(zhì)均不符合要求。其Cr、Mn含量偏低，與標(biāo)準(zhǔn)下限相比，分別偏低17%和23.75%。

2.3 硬度檢測(cè)

使用洛氏硬度儀對(duì)5個(gè)齒輪芯部進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 齒輪芯部硬度檢測(cè)結(jié)果

由硬度檢測(cè)結(jié)果可知，受檢舊齒輪芯部洛氏硬度值符合技術(shù)要求，而斷裂的四個(gè)齒輪芯部洛氏硬度值均嚴(yán)重偏高，不符合技術(shù)要求。

2.4 金相試驗(yàn)

對(duì)受檢的5件行走齒輪沿著橫截面取樣制成金相試樣，觀察其芯部金相組織，浸蝕劑為三氯化鐵鹽酸水溶液，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 試樣金相組織

受檢舊齒輪固溶體基體內(nèi)彌散分布著細(xì)小的過(guò)度碳化物薄片，金相組織為回火馬氏體，其余4個(gè)斷裂齒輪金相呈板條狀，金相組織為馬氏體。

2.5 滲碳淬火硬化層深度測(cè)試

對(duì)受檢的5件行走齒輪硬度值進(jìn)行測(cè)定，利用以下公式對(duì)齒輪滲碳淬火硬化層深度進(jìn)行檢測(cè)（表3）：

表3 齒輪滲碳淬火硬化層深度測(cè)定結(jié)果

式中，為規(guī)定的硬度值，即550HV1；為d1處硬度測(cè)量值的算數(shù)平均值；為d2處硬度測(cè)量值的算數(shù)平均值。

根據(jù)GB/T9450-2005標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于滲碳層深度的定義，滲碳層深度為從表面到顯微硬度550HV處的距離。受檢舊齒輪滲碳層深度CHD550HV1為0.93mm，符合0.58～0.97mm的技術(shù)要求，與碳鋼滲碳特點(diǎn)相符，而受檢斷裂齒輪近表面維氏硬度值與芯部相當(dāng)，故斷裂齒輪不存在表面硬化層。

3 分析與討論

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，由齒輪光譜分析結(jié)果可知，斷裂的齒輪化學(xué)成分與GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中20CrMnTi相關(guān)技術(shù)要求不符，化學(xué)成分不合格。由硬度測(cè)試與表面硬化層測(cè)試結(jié)果可知，斷裂齒輪硬度相較舊齒輪與技術(shù)要求均嚴(yán)重偏高，且芯部硬度與表面硬度基本相等，不存在表面硬化層。由金相組織檢查可知，斷裂齒輪與舊齒輪相比金相組織有明顯差異，斷裂齒輪的馬氏體組織硬度很高而韌性較差，且晶體尺寸較大，容易發(fā)生脆性斷裂，對(duì)比舊齒輪來(lái)看，斷裂齒輪在制造過(guò)程中未進(jìn)行回火熱處理，導(dǎo)致齒輪整體韌性差。

從熱處理角度來(lái)看，吹灰器跑車(chē)行走齒輪的制造要求中，寫(xiě)明齒輪應(yīng)經(jīng)過(guò)滲碳淬火，將齒輪加熱到足夠高溫度，使得其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，碳原子滲入工件表面，隨后急速冷卻淬火，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于馬氏體硬度高而韌性差，隨后需要對(duì)齒輪進(jìn)行回火處理，將齒輪加熱到適當(dāng)溫度，保溫若干時(shí)間，然后緩慢或快速冷卻，減小芯部?jī)?nèi)應(yīng)力和硬度，提高韌性。而本例中斷裂齒輪芯部硬度嚴(yán)重偏高且組織為馬氏體，說(shuō)明在齒輪制造過(guò)程中缺少回火熱處理步驟。

從設(shè)計(jì)角度看，要求齒輪有經(jīng)過(guò)滲碳淬火后具有較高的表面硬度以提高其耐磨性，同時(shí)，芯部有較好的強(qiáng)韌性，以避免齒輪承受沖擊載荷時(shí)發(fā)生脆性斷裂。該批次跑車(chē)齒輪斷裂的根本原因首先是化學(xué)成分不符合要求，其次，是由于其制造過(guò)程中熱處理工藝不符合要求，缺少回火步驟，導(dǎo)致其芯部硬度明顯偏高，綜合性能不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

由上述分析可知，鍵槽部位連接截面窄，且在運(yùn)行過(guò)程中，軸的動(dòng)力通過(guò)鍵傳到給齒輪使得該處應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致鍵槽部位為該齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱點(diǎn)。在吹灰器跑車(chē)投運(yùn)過(guò)程中退槍時(shí)，由于跑車(chē)需要克服吹灰蒸汽及槍管自身重量所帶來(lái)的阻力，因此，在退槍過(guò)程中齒輪荷載最大，由于齒輪本身質(zhì)量不合格，齒輪芯部硬度高而韌性差，此時(shí)，鍵槽處強(qiáng)度不能承載巨大的載荷，瞬間發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致吹灰器跑車(chē)失去動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，在蒸汽及槍管自重的作用下飛入爐膛內(nèi)部，導(dǎo)致吹灰器“飛車(chē)”事故的發(fā)生。

為防止類(lèi)似事故再次發(fā)生，提出以下建議：

（1）加強(qiáng)吹灰器跑車(chē)入廠驗(yàn)收檢查，每臺(tái)跑車(chē)解體檢查渦輪蝸桿，手動(dòng)盤(pán)動(dòng)跑車(chē)檢查齒輪運(yùn)行是否卡澀。

（2）對(duì)跑車(chē)行走滾輪、行走主軸、行走齒輪進(jìn)行檢查，向供應(yīng)商索要行走齒輪、主軸等重要轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)材質(zhì)報(bào)告，并使用便攜式光譜儀對(duì)上述部件進(jìn)行材質(zhì)符合，使用硬度計(jì)對(duì)部件硬度進(jìn)行檢查。

（3）更換跑車(chē)后，應(yīng)用壓力表復(fù)核提升閥后壓力是否在合適范圍內(nèi)。壓力過(guò)小，則容易彎管卡槍?zhuān)粔毫^(guò)大，則容易發(fā)生“飛車(chē)”事故。

（4）更換吹灰器跑車(chē)后，應(yīng)進(jìn)行至少兩天的就地跟蹤吹灰，檢查吹灰過(guò)程中進(jìn)、退槍電流是否在合格范圍內(nèi)。