斗轮机轮斗轴断裂成因分析及处理

2019-07-09徐吉岭庞琳亚

设备管理与维修 2019年6期

徐吉岭，庞琳亚

（徐州华润电力有限公司，江苏徐州 221142）

0 引言

01#轮斗轴为长春发电设备总厂生产，2010年安装投运。2017年1月3日19时46分，大雾天气，一值中班，01#斗轮机操作员和巡检员准备启动01#斗轮机加仓，悬臂皮带启动后，轮斗未转，于是巡检员进行仔细检查，发现轮斗轴断裂。断裂位置在加工台阶处，断裂处轴径262 mm。

图1 断口宏观照片

1 断口宏观形貌分析

断裂位于加工台阶处（最大轴径位置），断口上分深黑色及黄色2个区域:深色区域较为平坦光滑，为疲劳扩展区；黄色区域较为粗糙，有粗大的放射棱，为快速断裂区（图2）。加工台阶过渡R处有较多的棘轮标记，为多裂纹源扩展汇集而成，说明此处应力集中程度较大（表现为多源特征）。

由图2断口光学照片可见，该断口为脆性断口、疲劳断裂，其特征为:①断裂处很少或没有宏观塑性变形；②断口平坦，断口与应力方向垂直；③断裂起源于变截面，表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。

图2 断口形貌

2 理化检验

2.1 化学成分分析

断轴表面用ARL3460台式光谱仪对其作化学成分定量分析，在断轴上制取成分分析试样，分析结果见表1。轮斗轴成分符合45#钢的设计要求。

2.2 力学性能检验

在断轴外缘1/2半径处制取一组硬度试样、拉伸试样及冲击试样进行力学性能试验，试验结果见表2。依照JB/T 6397—2006《大型碳素结构钢锻件技术条件》标准的要求，对于45#钢调质态力学性能要求，其抗拉强度、冲击吸收功均超标，冲击韧性严重不足。

2.3 金相分析

在断口附近外缘及心部各制取一只金相试样，观察纵截面显微组织。非金属夹杂物为A类2级（图3）。心部显微组织为珠光体+大量网状铁素体（图4），外缘显微组织为索氏体+极少量网状铁素体（图5）。可见由于轴径太大，正火时表面冷速较快，先共析铁素体被抑制，形成较细密的索氏体组织，而心部冷速较慢，大量先共析铁素体以网状形式析出，导致其韧性较差、强度相对较低。

表1 元素成分 %

表2 力学性能结果

图3 非金属夹杂物形貌

图4 心部纵向显微组织

图5 外缘横截面显微组织

3 综合分析

由于不同类型载荷所造成的韧性断裂其断口特征不同，因此反过来可根据断口宏、微观特征来分析判定该轮斗轴所受载荷的类别:

拉伸载荷引起的韧性断裂，宏观断口往往呈杯锥状或呈45°切断外形，断裂处一般可见缩颈，断口上有大面积的韧窝且大都呈等轴韧窝或呈轻微拉长韧窝。

扭转载荷引起的韧性断裂，宏观断口大都呈切断型，微观上是拉长韧窝，匹配面的韧窝拉长方向相反。

冲击载荷引起的韧性断裂，在宏观上有冲击载荷作用留下的痕迹，断口周边有不完整的45°唇口，微观上呈撕裂拉长韧窝，匹配面上的韧窝拉长方向相同。

轮斗轴断裂截面宏观上符合冲击载荷引起的韧性断裂，裂纹起源于加工台阶过渡R处外缘，该处应力集中程度较大。因此，下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效:①零件所用材料强度不够；②零件所承受的实际载荷超过原设计要求；③零件在使用中出现了非正常载荷；④零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中，使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效；⑤零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。

如果按照JB/T 6397—2006《大型碳素结构钢锻件技术条件》标准验收，斗轮轴元素成分符合45#钢的设计要求，但冲击韧性极低。从显微组织来看，该轴的热处理状态应为正火或正火+回火，心部冷却速度相对较慢导致生成大量网状铁素体，对材料韧性有较大影响，硫化物夹杂达到2级，对其韧性亦有一定影响。

从断口形貌看，裂纹起源于加工台阶过渡R处外缘，该处应力集中程度较大，导致具有棘轮标记的多源特征；经过一段时间的疲劳扩展后，形成月牙状的平坦区域；疲劳扩展至1/2半径处（该处冲击韧性非常低）时，在一个较大的冲击载荷下发生快速断裂，形成粗大放射棱的粗糙断裂区。