超臨界火電機(jī)組磨煤機(jī)軸斷裂原因分析

周公文 田 裕 李 強(qiáng)

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 泰安 271000）

目前，我國大型火力發(fā)電廠通過細(xì)化煤粉方法，使煤粉在鍋爐內(nèi)部充分燃燒，從而提高鍋爐的燃燒效率。磨煤機(jī)是將采購原煤進(jìn)行破碎并研磨成一定顆粒度煤粉的機(jī)械設(shè)備，是大型火力發(fā)電廠重要的輔助機(jī)械。

磨煤機(jī)軸作為磨煤機(jī)的重要金屬部件，軸承性能的穩(wěn)定關(guān)乎磨煤機(jī)的安全運(yùn)行，是確保發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電的前提。某火電廠超臨界燃煤機(jī)組一臺磨煤機(jī)在役過程中發(fā)生磨煤機(jī)軸的斷裂失效。本文對斷裂的磨煤機(jī)軸進(jìn)行資料審查、宏觀檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室取樣理化檢驗(yàn)分析，通過宏觀檢查、斷口掃描電鏡分析、化學(xué)成分分析、金相組織分析、硬度檢驗(yàn)和機(jī)械性能試驗(yàn)等方法，找出引起該軸斷裂的主要原因，并給出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 磨煤機(jī)軸概況

圖1 斷軸位置及斷口的宏觀形貌

2 試驗(yàn)過程和試驗(yàn)儀器

對斷裂的磨煤機(jī)軸進(jìn)行資料審查和表面宏觀檢查，確認(rèn)斷軸結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及宏觀形貌。對斷軸表面進(jìn)行取樣，通過采用Carl Zeiss Sigma300 型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對斷口形貌進(jìn)行觀測，確定斷口裂紋源及擴(kuò)展區(qū)，根據(jù)斷口特征判斷斷裂失效機(jī)理。采用PDA-7000 型光電直讀光譜儀分析斷軸基體的化學(xué)成分，進(jìn)行化學(xué)成分符合性檢驗(yàn)。在斷軸的邊緣、基體部位切取并鑲嵌金相試樣，經(jīng)磨制拋光后，采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，利用Carl Zeiss Axio Observer A1m 型金相顯微鏡觀測斷軸的金相組織形態(tài)。利用BH-3000 型布氏硬度計(jì)，載荷187.5 kgf（即181.4 N），加載時(shí)間10 s，在金相試樣上進(jìn)行宏觀布氏硬度檢驗(yàn)。在斷軸心部、軸半徑中間位置和邊緣部位沿軸向分別截取3 個(gè)拉伸試樣和3 個(gè)沖擊試樣，利用CMT5105 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)和PTM2200 型300 J 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，測試斷軸的機(jī)械性能。綜合試驗(yàn)結(jié)果得出磨煤機(jī)軸斷裂主要原因，并給出相應(yīng)建議。

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 宏觀檢查

圖1 為該磨煤機(jī)軸斷裂位置以及斷口截面的宏觀形貌。磨煤機(jī)軸為45#鋼，采用鍛坯鍛造而成，以調(diào)質(zhì)處理供貨，變截面處倒角45°，并結(jié)合圓角過渡。該磨煤機(jī)軸斷裂于第2 臺階變截面位置，位于磨煤機(jī)軸與滾軸結(jié)合部位，見圖1（a）和圖1（c）。斷口截面表面不平齊，斷口邊緣區(qū)域顏色灰黑，呈現(xiàn)氧化色，心部區(qū)域斷口較新鮮，表面呈纖維狀，顏色灰暗[見圖1（b）中1 區(qū)域和圖1（e）]，應(yīng)為在軸表面起裂，由表面向軸心部擴(kuò)展，最終在心部區(qū)域發(fā)生最終斷裂。斷軸邊緣呈鋸齒狀，軸外表面在斷面區(qū)域沿周向存在較多呈45°的裂紋[見圖1（c）中紅色標(biāo)記處]，符合軸在運(yùn)行中承受扭轉(zhuǎn)剪切力發(fā)生開裂特征。斷面處存在多個(gè)疲勞面，部分疲勞面貝紋線明顯，根據(jù)貝紋線可判斷疲勞裂紋源位置，裂紋源不僅位于軸表面處，斷面內(nèi)部也存在裂紋源。斷面處存在明顯的疲勞臺階及裂紋交匯線[見圖1（d）]，表明該斷口呈典型多源疲勞開裂特征。斷面處含有較多點(diǎn)狀孔洞，見圖1（d），應(yīng)為該軸內(nèi)部夾雜物脫落所致。

3.2 化學(xué)元素成分分析

采用PDA-7000 型光電直讀光譜儀對軸基體元素含量進(jìn)行全定量元素分析，結(jié)果見表1，測量結(jié)果顯示：斷軸基體元素含量符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對45#鋼元素含量要求，元素含量未見異常。

表1 軸基體元素含量 %

3.3 金相組織檢驗(yàn)

在斷軸的基體內(nèi)部、邊緣位置分別切取金相試樣，試樣經(jīng)磨制拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，并在Carl Zeiss Axio Observer A1m 型金相顯微鏡下觀察金相組織形貌。

圖2 是斷軸金相組織圖片，可以發(fā)現(xiàn)基體拋光態(tài)存在較多夾雜物，根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》可判定夾雜物應(yīng)為A、B 類型粗系級別i=2[如圖2（a）所示][1]，夾雜物級別較高。該軸基體內(nèi)部和邊緣位置的金相組織相同，均為沿晶界分布的網(wǎng)狀鐵素體，晶粒內(nèi)部為索氏體組織，以及部分由晶界向晶內(nèi)生長的呈針狀的鐵素體，金相組織呈輕微魏氏組織形貌特征[2，3]，晶粒度5 級。

圖2 斷軸金相組織形貌

在斷軸另一端端部位置進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，金相組織如圖2（e）所示。斷軸端部金相組織與斷面?zhèn)然w和邊緣位置處金相組織相同，表明該軸整體組織均勻，未見組織偏析及其他異常情況。

3.4 斷口掃描電鏡分析和能譜分析

在Carl Zeiss Sigma300 型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口形貌觀測，并對基體上夾雜物進(jìn)行能譜分析。

由圖3 可知，斷口邊緣和擴(kuò)展區(qū)存在明顯裂紋缺陷，斷口邊緣存在較多點(diǎn)狀孔洞，擴(kuò)展區(qū)部分區(qū)域疲勞輝紋顯著，瞬斷區(qū)存在撕裂嶺和典型韌窩形貌特征。

圖3 斷軸斷口SEM 圖

對軸基體內(nèi)主要夾雜物進(jìn)行能譜分析，由圖4 可知可見視場內(nèi)夾雜物主要為MnS、Al2O3。

圖4 夾雜物能譜圖

3.5 硬度檢驗(yàn)

利用BH-3000 型布氏硬度計(jì)在斷軸心部、軸半徑中間位置、邊緣部位進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷187.5 kgf（即181.4 N），保載時(shí)間10 s，結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明：參考制造廠家提供的硬度標(biāo)準(zhǔn)要求，心部的硬度值略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果HB

3.6 機(jī)械性能試驗(yàn)

在斷軸心部、軸半徑中心位置和邊緣部位沿軸向分別截取3 個(gè)拉伸試樣和3 個(gè)沖擊試樣（縱向），在CMT5105 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)和PTM2200 型300 J 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果顯示：試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均符合GB/T 699—2015 對45#鋼的要求，但沖擊吸收功數(shù)值波動幅度較大，部分沖擊吸收功低于標(biāo)準(zhǔn)要求，其中部分心部、軸半徑中心位置的沖擊吸收功低于標(biāo)準(zhǔn)值，沖擊吸收功不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果（室溫）

3.7 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

1）該磨煤機(jī)斷軸斷口邊緣顏色灰黑，心部較新，應(yīng)為在邊緣起裂，心部為最終瞬斷。斷軸邊緣呈鋸齒狀，斷口附近軸外表面沿周向存在較多呈一定角度裂紋，符合軸轉(zhuǎn)動中受扭轉(zhuǎn)剪切力發(fā)生開裂特征。斷面處存在多個(gè)疲勞面，貝紋線明顯，根據(jù)貝紋線判斷疲勞裂紋源分布情況，既有斷軸外表面處，也有軸基體內(nèi)部處，符合多源疲勞開裂特征。

2）金相試樣視場中夾雜物主要為MnS 和Al2O3，夾雜物級別較高，破壞基體連續(xù)性，由于夾雜物和基體金屬的熱膨脹系數(shù)不同，以及存在脆性帶棱角的Al2O3夾雜物，使得脆性夾雜物與基體金屬在接觸界面處易產(chǎn)生微觀應(yīng)力，構(gòu)成內(nèi)部疲勞源，磨煤機(jī)軸在運(yùn)行中承受振動載荷和扭轉(zhuǎn)剪切力，夾雜物易與周圍基體金屬發(fā)生界面作用，從而誘發(fā)軸基體內(nèi)部疲勞，導(dǎo)致微裂紋的生成[4]。

3）根據(jù)斷軸側(cè)和端面?zhèn)冉鹣嘟M織相同，可判斷該軸在服役時(shí)不存在超溫情況發(fā)生組織相變，該斷軸組織異常應(yīng)為制造過程熱處理不當(dāng)導(dǎo)致，而非服役狀態(tài)下產(chǎn)生。該軸的供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，為淬火+高溫回火，金相組織中晶界處的網(wǎng)狀鐵素體為先共析鐵素體，由晶界向晶內(nèi)生長的針狀鐵素體，以及晶粒內(nèi)的索氏體組織，均為高溫相變組織，應(yīng)是熱處理時(shí)由于溫度較高以及冷卻速度較為緩慢，導(dǎo)致在晶界處先析出白色細(xì)網(wǎng)狀鐵素體以及由晶界向晶內(nèi)生長的針狀鐵素體，隨著熱處理工藝溫度降低，在晶粒內(nèi)發(fā)生索氏體相轉(zhuǎn)變。先共析網(wǎng)狀鐵素體的存在削弱晶粒間界面結(jié)合強(qiáng)度，晶粒內(nèi)部分區(qū)域存在的針狀鐵素體使得該區(qū)域性能存在各向異性，削弱軸基體整體的強(qiáng)度和塑韌性能，影響材料的沖擊性能[5]，使得部分試樣的沖擊吸收功嚴(yán)重低于標(biāo)準(zhǔn)要求。沖擊性能的下降為該軸發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。

4）該磨煤機(jī)軸在運(yùn)行過程中長期承受扭轉(zhuǎn)剪切力，且在破碎煤塊時(shí)承受一定的振動載荷，為該磨煤機(jī)軸在變截面應(yīng)力集中部位發(fā)生多源疲勞開裂的外在因素。而基體組織內(nèi)的網(wǎng)狀鐵素體和針狀鐵素體減弱基體的抗沖擊性能，基體內(nèi)部尖銳、尺寸超標(biāo)的夾雜物會加速軸內(nèi)部疲勞裂紋的生成，同時(shí)夾雜物會削弱基體結(jié)合強(qiáng)度，促進(jìn)疲勞裂紋的生成和擴(kuò)展，為該軸發(fā)生疲勞斷裂的內(nèi)在因素?；w組織異常主要由于熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致，組織異常削弱該軸的抗沖擊性能，是該軸發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。

4 結(jié)論及建議

斷裂的磨煤機(jī)軸存在嚴(yán)重的組織缺陷，嚴(yán)重削弱基體性能的均勻性，降低磨煤機(jī)軸的機(jī)械性能。材質(zhì)性能的下降不滿足該軸正常使用要求，在服役中長期承受扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和振動載荷的作用，在變截面應(yīng)力集中位置誘發(fā)軸表面多源疲勞裂紋的產(chǎn)生，為該軸發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。同時(shí)軸基體內(nèi)部的脆硬、表面尖銳的夾雜物誘發(fā)內(nèi)部疲勞，破壞基體連續(xù)性，加速疲勞裂紋的擴(kuò)展，為該軸發(fā)生疲勞斷裂的次要原因。疲勞裂紋主要由外表面向內(nèi)部擴(kuò)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。

鑒于該磨煤機(jī)軸存在嚴(yán)重的組織缺陷，建議使用單位對同批次其他磨煤機(jī)軸進(jìn)行無損檢測和金相組織檢驗(yàn)，排查其他磨煤機(jī)軸是否存在相似問題。同時(shí)加強(qiáng)磨煤機(jī)軸的入廠檢驗(yàn)，確保設(shè)備入廠質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。