发电厂锅炉引风机叶柄断裂原因分析

徐卫仙，王 杰，乔立捷

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

发电厂锅炉引风机叶柄断裂原因分析

徐卫仙，王 杰，乔立捷

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

本文采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪对引风机叶柄断裂原因进行了分析。叶柄断裂位置螺纹根部可见明显的加工刀痕，在尖锐处存在应力的最大值，引起应力集中。在拉应力、弯曲及扭转应力作用下，可能导致裂纹的萌生。另外，风机在运行过程中振动疲劳与旋转弯曲疲劳联合作用，亦将引起叶柄断裂的扩展，导致叶柄最终断裂。

引风机；叶柄；疲劳；断裂

0 引言

某电厂#2机组引风机为双级动叶可调轴流式，型号SAF30.5-17-2，配置引风机2台。风机旋转方向：从电机侧向风机侧看，风机叶轮为逆时针旋转。

#2机组引风机投产时间为2014年5月27日，2015年03月23日04时51分，#2机组负荷435MW，A引风机X振动7.03mm/s，Y振动3.57mm/s，炉膛压力-60～50Pa，机组其余各参数均正常。2015年03月23日04时52分，A引风机振动X由7.03mm/s突然涨到19.9mm/s，Y由 3.57mm/s突然涨至19.9mm/s。现场检查#2机A引风机一级叶轮有一片叶片飞出，距A引风机12m左右；同时引风机上盖有明显损伤；对A引风机揭盖后，发现一级叶轮其中一片叶片的叶柄断裂，一级叶轮的其余叶片均已受损，二级叶轮的叶片均不同程度受损，风机基础呈现裂纹，地脚螺栓松动、断裂。

本文将对叶柄断裂的原因进行分析，查明叶片的叶柄轴断裂原因，防止类似事故再次发生。

1 试样和试验方法

1.1 实验材料

试样由该电厂提供，叶柄材质为42CrMo-5，供货状态为调质处理，其化学成分均符合GB/T 3077-1999标准的要求。实验前将试样用丙酮清洗。

1.2 实验方法

对试样进行化学成分分析，利用Leica DMI 5000M型金相显微镜分析试样的金相组织，并用Tescon VEGA 3 LMU型扫描电子显微镜及Oxford X-act型能谱仪观察试样断口的微观形貌及能谱分析。

2 实验结果与分析

2.1 化学成分分析

42CrMo-5的化学成分见表1。

表1 叶柄化学成分分析结果

2.2 宏观检查

图1所示为送检样品的断裂位置示意图。断面位置为叶柄与轮毂连接螺纹起始部位（第一与第二丝扣的丝底），断面边缘沿整圈丝扣的丝底分布，断面垂直于叶柄轴，断口整体平齐，未发生明显塑性变形，整体呈现脆性断裂，为典型疲劳断裂特征，且应力水平较低。

图1断裂位置示意图

图2 所示为断口宏观形貌，由图2可知，断口由轴近表面的A位置处起源，在较低的拉、旋转、弯曲交变应力作用下，裂纹以较慢的速度扩展[1]，即图2的B区域。在该区域可以清晰看到海滩条状贝纹线及裂纹扩展区[2]，同时呈现脆性断口特征，断口边缘看到约45度角台阶。裂纹扩展至轴半径的1/2处后，扩展加速，在C处能观察到清晰的疲劳弧线，疲劳弧线的圆心指向最后断裂区。随着扩展继续进行，叶柄轴有效截面不断减小，最终形成瞬断区（图2的D区域），瞬断区域呈放射状并反指向裂纹，具备一定塑性特征。另外，在断口边缘处还发现两处扭转断裂的形貌特征，即图2的E、F区域。从纹路扩展情况可以判断在E、F两个区域的边缘处，也有裂纹源。叶柄正是在受拉、弯曲、扭转[3]等共同作用下，在主裂纹源A处、次裂纹源E、F处产生裂纹并扩展，并最终至叶柄轴断裂。

图2中位置D区域（瞬断区）撕裂最严重。将断口D区域沿纵向切开，可以看到在位置D左侧所对应的切口侧面，有位于横截面方向扩展的裂纹（如图3所示）。由于在主断面疲劳断裂的最后阶段，有效承载面积减小，局部应力增加，产生了次生裂纹[4]。

2.3 金相组织检验

在叶柄螺纹根部、螺纹顶部、叶柄横截面心部分别进行了金相组织检验，结果如图4所示。

图2 断口横截面形貌

图3 D区域纵断面的次生裂纹

图4 叶柄金相组织

由图4可知，在螺纹根部、螺纹顶部、叶柄横截面心部的金相组织均为细小的回火索氏体，金相组织未发现异常。同时看到心部组织略显粗大，可能由于轴尺寸较大，心部未淬透所致。

2.4 硬度试验

采用HBE-3000A型电子布氏硬度计对试样进行布氏硬度测试，结果见表2。由表2可知，叶柄材质硬度值符合设计要求。

表2 叶柄材质硬度值

2.5 微观形貌分析

从宏观断口分析可知，主裂纹起源于叶柄一侧螺纹根部，为了进一步分析及确认裂纹的形成过程和裂纹形态，在扫描电镜上观察断口的微观形貌。

图5所示为图2中A区域边缘处（主裂纹源区）的微观形貌。由图5可知，在螺纹根部可见明显的加工刀痕，加剧应力集中，在尖锐缺口处存在应力峰值。在拉应力、弯曲及扭转应力作用下，可能优先产生裂纹（也就是裂纹源），裂纹在应力持续作用下扩展。图5中螺纹根部存在一条与加工刀痕方向平行的裂纹，以及裂纹一侧的微观台阶，是在局部较大应力集中下裂纹扩展形成的。

图5 主裂纹起源处断口形貌

图6 为裂纹扩展区的断口形貌，表现为典型的解理断裂，为调质组织中较常见的疲劳裂纹扩展区形态[5]。

图7是快速扩展区断口形貌，上面可见由于扩展速度过快形成的大量微裂纹，并且断口形貌已表现出一定的塑性特征。

图8是瞬断区断口形貌。解理断裂和塑性断裂的混合形貌。

图9是图2的E区域螺纹根部的形貌特征。图中可以看出，在螺纹根部，有着明显不规则的微裂纹。微裂纹位于扩展方向的起始处，断面与叶柄横截面平行，并且断口宏观形貌表现出撕裂状，微观形貌表明断口有一定塑性。

图6 裂纹扩展区断口形貌

图7 快速扩展区断口形貌

图8 瞬断区断口形貌

图9 次裂纹源区螺纹根部的形貌

3 结语

（1）叶柄的化学成分、硬度、金相组织符合标准要求，叶柄断裂与原材料质量无直接关联。

（2）叶柄断口整体平齐，未发生明显塑性变形，整体呈现脆性断裂，主裂纹扩展区存在明显条状贝纹线，为典型疲劳断裂，且应力水平较低。

（3）叶柄断裂原因为：叶柄断裂处螺纹根部的加工刀痕，加剧应力集中，在尖锐处存在应力峰值，在拉应力、弯曲及扭转应力作用下，优先产生裂纹，在不断交变的外力作用下，裂纹扩展至叶柄断裂。

[1]郭玲丽，杨刚.鼓风机转子叶片断口形貌分析[J].热加工工艺，2014，43（5）：82~84.

[2]邱文萍，左阳春，叶芳.热喷焊技术现场修复增压风机叶轮的工艺研究[J].热加工工艺，2014，43（5）：223~224.

[3]谷吨，康新亚，侯爱民.机械行业工业炉节能的思考[J].热加工工艺，2010，118~121.

[4]靳峰，王晓晨，李世涛，等.600MW机组汽轮机低压转子叶片断裂原因分析[J].热加工工艺，2014，43（12）：226~229.

[5]李小泉，吕云飞，赵海新，等.42CrMo钢曲轴断裂失效分析[J].热加工工艺，2014，43（2）：217，218.

Cause Analysis on Fracture on Blower Fan Petiole of Power Plant Boiler

XU Wei-xian，WANG Jie，QIAO Li-jie
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In order to find the reason of the blower fan petiole rupture in a power plant，optical microscope（OM），scanning electron microscope（SEM），energy dispersive spectrometer（EDS）were used.Machining marks found at the screw root may promote crack initiation under the effect of tensile stress，bending stress and torsion stress.Fan vibration during operation may cause vibration fatigue and rotating bending fatigue，which lead to crack propagation and the final rupture of the fan petiole.

blower fan；petiole；fatigue；rupture

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.013

TG111.91，TG111.8

B

2095-3429（2015）06-0045-03

2015-11-02

修回日期：2015-12-17

徐卫仙（1989-），女，江西上饶人，硕士，研究方向：金属材料失效分析。