斗轮堆取料机大轴断裂失效的原因分析

2014-09-11冯玉锋

综合智慧能源 2014年9期

冯玉锋

(内蒙古大唐国际托克托发电有限公司，呼和浩特 010206)

1 问题的提出

内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司(以下简称托电公司)Ⅰ，Ⅱ期工程装机为4×600 MW亚临界参数燃煤发电机组。输煤系统主要的存取煤设备为2台斗轮堆取料机(以下简称斗轮机)，其型号为DQ1500/1500-35。斗轮机堆料最大生产率为1 500 t/h，取料最大生产率为1 500 t/h，制造厂为上海电力环保总厂。

自机组投运以来，煤炭供需矛盾日益突出，为了解决这个问题，托电公司对燃煤结构进行了调整，调整后汽车来煤的比例逐渐增多，汽车来煤大多数直接卸入煤场。汽车来煤中大块煤较多且煤场碾压密度较高，使斗轮机在取煤时料斗阻力增大、大轴扭矩增加，2007年，Ⅰ，Ⅱ期工程输煤系统的1台斗轮机大轴在取料过程中突然断裂，斗轮机退备。这是斗轮机投运以来最严重的设备事故，事故不仅对输煤系统造成严重影响，也极大地影响了机组运行的可靠性，造成了重大的经济损失。

2 理化检验

2.1 断轴宏观分析

斗轮机大轴为上海电力设备总厂有限公司设计制造，其材料为40Cr，最终热处理工艺为调质处理。断裂发生在轴径ø280 mm和ø300 mm变径部位处，变径截面处设计倒角半径为3 mm，斗轮机大轴示意如图1所示。大轴断裂宏观形貌如图2～图7所示。

图1 斗轮机大轴示意

图2 斗轮机大轴断裂轴取样

图3 大轴断裂面形貌

图4 大轴断裂面中心部位形貌

图5 大轴断裂面中心及变截面处形貌

图6 大轴断裂面变截面处形貌1

图7 大轴断裂面变截面处形貌2

观察了斗轮机轴的断裂宏观形貌，断裂发生在轴的变截面部位，大轴的断裂面比较平齐，断口表面呈暗灰色。观察了直径ø300 mm轴断面，发现表面有严重损伤，损伤为扭转力矩所致。由于托电公司煤场碾压密度高及大块煤较多，会使斗轮机大轴产生较大的扭转力矩。在变截面部位(如图5、图6所示)，靠外径边缘大约有20 mm径深，断面比较光滑，然后进入扩展区，在断裂变截面边缘，弧线比较圆滑。

2.2 机械性能试验

在断裂斗轮机大轴上取样进行拉伸和冲击试验，试验数据见表1。

表1 拉伸和冲击试验数据(调质处理)

从机械性能试验数据分析可以看出，大轴取样抗拉强度和断面收缩率处于较高水平，但取样的冲击功较低。

2.3 电镜形貌

在斗轮机大轴中心部位取样，对断口形貌进行电镜观察分析，断口形貌为解理断裂特征，其形貌如图8所示。

图8 大轴断面中心部位电镜形貌

2.4 金相组织分析

金相组织特征如图9～图12所示，大轴内部组织中存在夹杂物，金相组织为回火索氏体+自由铁素体。

图9 大轴夹杂物组织1

图10 大轴夹杂物组织2

图11 大轴金相组织1

图12 大轴金相组织2

3 断裂原因分析

(1)对大轴断口宏观形貌特征进行分析。断口发生在变径截面处，此处圆角较小，为应力集中部位，断口平齐，表面呈暗灰色，宏观形貌基本无塑性变形特征，在电镜下观察大轴断裂部位，为解理断裂特征，大轴断裂为脆性断裂。

1)解理断裂。解理断裂是在正应力作用下产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面(即解理面)分离。解理断裂常见于体心立方、密排六方金属材料及合金材料，在低温、冲击载荷和应力集中的情况下，促使其发生解理断裂。面心立方金属材料很少发生解理断裂。解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的裂纹发展速度非常快，常给零件或构件造成灾难性的后果。

2)断口特征。解理断裂断口的轮廓垂直于最大拉应力方向，新鲜的断口都是晶粒状的，有许多强烈反光的小平面(亦称为解理刻面)。解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。在解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样(如图8所示)。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较大的台阶，到了河流的“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。因此，可根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。

(2)对金相组织特征显示的结果进行分析。斗轮机大轴内部存在夹杂物，金相组织为回火索氏体+自由铁素体，从大轴调制处理工艺分析结果可以看出，大轴调质后金相组织应为回火索氏体组织，不应该出现自由铁素体。由于自由铁素体的存在，说明大轴在热处理工艺过程中存在偏离工艺。从机械性能试验数据显示的结果可以看出，大轴抗拉强度和断后伸长率处于较高水平，这是由于金相组织中存在大量回火索氏体的缘故，但自由铁素体的存在，对大轴的冲击性能影响较大，导致大轴冲击功较低，材料冲击性能劣化，脆性倾向变大。

(3)对综合因素进行分析。斗轮机大轴为40Cr中碳调质钢，调质后正常金相组织为回火索氏体，经调质后，具有良好的综合力学性能。但大轴金相组织中存在夹杂物和自由铁素体，这样会导致材料的冲击性能水平较低，材料的脆性倾向变大，断裂变截面部位圆角较小，此处应力集中较大，最终发生脆断。