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风机关键金属部件故障分析与防止措施

2021-11-15曾江卓黄桥生章亚林李家庆牟申周

湖北电力 2021年4期
关键词:牙根断口形貌

曾江卓,黄桥生,章亚林,李家庆,陈 刚,潘 杨,牟申周

(1.国电长源广水风电有限公司,湖北 武汉 430066;2.国家能源集团科学技术研究院有限公司,湖北 武汉 430066)

0 引言

湖北某新能源公司风电场于2016年9月7日开工建设,2017年12月15日投入使用。近两年,该新能源公司风电场相继发生了几起风机关键金属部件断裂故障,为分析失效原因,避免类似故障的发生,本文对断裂试样进行了全面的解剖分析,并提出了相应的防止措施。

1 齿轮断裂故障

2019 年4 月16 日,机组振动在线监测发现2 号风机齿轮箱振动异常,经检查发现2 号风机中速及小齿轮断齿,齿轮材质为18CrNiMo。为查明轮齿断裂原因,避免同类型事故的再次发生[1-9],对齿轮断裂进行了失效原因分析。

1.1 宏观检查

齿轮断裂位置为中间轴小齿轮,位置见图1。图2为中间轴断齿宏观形貌照片,断齿长230 mm,断齿块两侧薄,中间最厚。断齿工作面表面完整,可见轻微磨损[10],仍可见加工痕迹。断齿工作面表面完整,局部轻微磨损,未见腐蚀形貌。整个断齿上无明显的塑性变形,面积较大的断面上可见清晰的贝纹状疲劳弧。整个断齿表面密布疲劳弧线,特别是越靠近断齿两端疲劳弧线越清晰,断口表面也较粗糙,见图3,这种特征与裂纹扩展的应力水平有关,断口为斜断口,断裂方向与齿面夹角约为65°,断口为疲劳断口。

图1 中齿轴位置示意图Fig.1 Transmission chain diagram

图2 齿轮断裂宏观形貌Fig.2 Gear fracture macroscopic morphology

图3 断裂齿宏观形貌Fig.3 Fracture tooth macroscopic morphology

1.2 体式显微镜分析

图4照片为断口裂纹源体式显微镜下照片。体视显微镜下,断面上可见清晰的贝纹状疲劳弧线,断齿断面呈银灰色。

根据中心源区向外辐射放射线以及向主工作面侧发散的疲劳弧线,裂纹源区为深灰色长条,表面粗糙,见图4箭头所示位置。

图4 断口裂纹源形貌Fig.4 Fracture crack source morphology

1.3 化学成分分析

对断裂齿轮进行化学成分检测,结果如表1所示,合金化学成分符合《EN 10084-2008 渗碳钢—交货技术条件》要求值。

表1 断裂齿轮化学成分检验结果(wt%)Table 1 Composition of the broken gear(wt%)

1.4 扫描电镜分析

对断裂齿轮块经酒精超声清洗后,用Quanta FEG450 扫描电镜及能谱仪进行分析。图5(a)为断裂源电镜低倍(35倍)下形貌照片,可见断裂起源于台阶部位;图5(b)为扩展区电镜高倍(3 000 倍)下形貌照片,可见明显疲劳辉纹;图5(c)为断裂源背散色电子像600 倍形貌照片,可见裂纹源存在带状夹杂物;图5(d)为扩展区背散色电子像3000 倍形貌照片,可见扩展区存在点状夹杂物。图6为断口处能谱分析取样位置,表2 为断口能谱分析结果,从结果可知,夹杂元素主要为O、Al 等,夹杂物为氧化铝,夹杂物来源推断为材料冶炼中的脱氧剂未清理干净。

表2 能谱分析结果(wt%)Table 2 Energy spectrum results at the source zone(wt%)

图5 断口扫描电镜照片Fig.5 SEM photo of broken gear

图6 能谱分析取样位置Fig.6 Spectroscopic analysis of sampling locations

1.5 金相检查

对齿轮断口制作金相试样进行检测,通过显微镜观察。图7(a)为试样表面金相组织照片,可见试样表面存在渗碳层,渗碳层组织为回火马氏体+残余奥氏体。图7(b)为试样心部金相组织照片,组织为回火马氏体。金相组织未发现异常。

图7 微观形貌Fig.7 Microscopic morphology

1.6 原因分析

1)断口形貌分析表明,齿轮断裂位置为中间轴小齿轮,断口为斜断口,断齿工作面表面完整,可见轻微磨损,整个断齿上无明显的塑性变形,断面呈银灰色,可见清晰的贝纹状疲劳弧线,未见腐蚀形貌,判断该断口为交变弯曲应力作用下的疲劳断口。

2)扫描电镜分析表明,轮齿近表层裂纹源位置存在的带状非金属夹杂物。

3)从微观形貌分析表明,局部聚集较多夹杂物。

4)齿轮材质中有缺陷,裂纹将沿着缺陷区域扩展,即由咬合面次表层向咬合面背面下方扩展。

研究表明,非金属夹杂物的尺寸和形状对疲劳寿命的影响很大,其中非金属夹杂物的尺寸是直接影响疲劳裂纹成核的重要因素[11-13]。轮齿近表层裂纹源位置存在的带状非金属夹杂物,会引起局部应力集中,力学性能下降,导致非金属夹杂物周围应力水平超过了材料的疲劳极限,在运行一段时间后,疲劳裂纹从夹杂物位置萌生并不断扩展,最终导致轮齿发生断裂。

2 螺栓断裂故障

2021年1月7日,46号风机复检验收,在验收机舱过程中发现现场风机止推轴承两侧均有螺栓松动,且多颗螺栓存在防松标记偏离,如图8所示;止推轴承与机架连接部位有轻微移位现象,如图9所示;进一步检查轴承12颗螺栓发现已有两颗螺栓内部发生断裂,且断裂部位在机架内部。螺栓材质为42CrMoA,规格为M42×235 mm,螺栓等级为10.9级。

图8 46号风机发电机-轮毂方向左侧Fig.8 No.46 fan generator.-left on hub

2.1 宏观分析

46 号风机主轴止推轴承基座断裂螺栓断裂面见图10,断裂面形貌如图11所示。螺栓断裂处无明显颈缩,断面较平整,断面有向下的放射性条纹,图10中扩展区由左下向上为裂纹扩展方向,裂纹源如图10标识所示,裂纹源产生在螺牙根部。

图10 断裂螺栓断裂面Fig.10 Break bolt

图11 螺栓断裂面形貌Fig.11 Fracture surface morphology of bolt

2.2 成分分析

对断裂螺栓进行成分分析,检测结果见表3,合金元素符合《DL/T439-2018 火力电厂高温紧固件技术导则》要求,C、S、P元素符合DL/T439-2018标准要求。

表3 断裂螺栓成分(wt%)Table 3 Composition of the broken bolt(wt%)

2.3 拉伸力学性能

加工棒状标准拉伸试样,使用万能试验机对试样进行常温力学试验。试验结果见表4,均符合《GB/T3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》要求。

表4 常温力学性能结果Table 4 Tensile test results

2.4 冲击性能

在断裂螺栓上取3 个V 型缺口的标准冲击试样在-20°C下测定,冲击试验结果如表5所示,吸收能量值符合GB/T3098.1-2010标准要求。

表5 冲击试验结果Table 5 Results of impact toughness test

2.6 硬度检测

取断裂螺栓螺纹处横截面进行洛氏硬度检测,检测结果见表6。断裂螺栓的洛氏硬度值符合GB/T3098.1-2010标准要求。

表6 硬度检测值Table 6 Rockwell hardness test

2.7 金相组织

取断裂螺栓螺纹处的纵截面(靠近断面)进行金相检测。图12所示为断裂螺栓螺纹处纵截面形貌,在螺牙根部中心有一条横向裂纹,从外缘向芯部扩展;图13 为螺牙根部裂纹金相组织,裂纹长度约2.4 mm,由外向内扩展,在主裂纹的两侧还有数条平行的小裂纹;图14 为螺牙处侧边金相组织,未见明显脱碳层;图15为断裂螺栓螺纹处纵截面金相组织,回火索氏体,为正常组织。

图12 螺纹处纵截面形貌Fig.12 Longitudinal section appearance of fracture bolt thread

图13 断裂螺栓螺牙根部裂纹Fig.13 Fracture Bolt root crack

图14 纵截面螺牙处金相Fig.14 Longitudinal metallography

图15 螺纹处纵截面金相Fig.15 Longitudinal metallography

2.8 原因分析

通过对送检的46 号风机主轴止推轴承基座断裂螺栓的理化检测分析,其化学成分、力学性能、冲击试验符合标准要求;其纵截面金相组织为回火索氏体,组织正常,螺牙未见明显脱碳。

检验发现,在其中一个螺牙根部中心有一条横向裂纹,主裂纹的两侧还有数条平行的小裂纹。表明螺栓的裂纹起源于螺牙根部,由外向内扩展,与断面的形貌特征相一致。机械加工的螺纹其螺牙根部中心位置为应力集中区,且加工过程中局部区域可能产生微缺陷及加工后的热处理,在螺牙根部中心位置的局部区域产生更加明显的应力集中。止推轴承与机架连接部位有轻微移位现象,止推轴承振动偏大;在风机主轴止推轴承基座螺栓的长期使用过程中,在螺牙根部应力集中最大的区域会产生裂纹源,并逐渐扩展,发生疲劳断裂。

综上所述,此次风电场46号风机主轴止推轴承基座螺栓断裂的原因为在轴承振动,在螺栓螺牙根部应力集中最大区域产生裂纹源,在交变应力作用下扩展延伸,最终发生疲劳断裂。

3 结语

齿轮和螺栓断裂模式均为疲劳断裂。齿轮断裂处存在较严重的带状非金属夹杂,服役期间在应力的作用下材料缺陷处萌生成微裂纹,在交变应力作用下,裂纹不断扩展直至失效;螺栓在服役过程中产生了松动,在轴承振动的作用下,螺栓螺牙根应力集中区域产生裂纹源,逐渐扩展,发生疲劳断裂[14-17]。

1)利用检修时机,排查同类型风机齿轮,发现裂纹等超标缺陷进行更换[18-21]。

2)加强对风机主轴止推轴承的巡检和振动监测,防止振动过大影响螺栓的使用寿命,可通过超声检测,应力测量等手段及时发现有问题的螺栓,减小运行风险。

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