王家慶

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 安徽 合肥 230031)

氧化風(fēng)機(jī)軸斷裂的失效分析與預(yù)防措施

王家慶

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 安徽 合肥 230031)

采用金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試及斷口SEM檢驗(yàn)等試驗(yàn)手段,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)研對(duì)45鋼氧化風(fēng)機(jī)軸在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:氧化風(fēng)機(jī)軸的斷裂形式為脆性解理斷裂，金相組織為非均勻穩(wěn)定的退火態(tài)組織，缺口敏感性較大。加之氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣,振動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致在軸的表面形成疲勞裂紋最終導(dǎo)致軸的斷裂失效。針對(duì)上述問(wèn)題提出了相關(guān)預(yù)防措施。

45鋼；氧化風(fēng)機(jī)；軸；熱處理；失效分析

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與科技的發(fā)展,電力在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有越來(lái)越重要地位，鑒于我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中以煤炭為主的現(xiàn)狀，在將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，火力發(fā)電依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)火力發(fā)電行業(yè)節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求與日俱增，而作為電站鍋爐脫硫系統(tǒng)的重要部件之一，氧化風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)發(fā)電行業(yè)的脫硫環(huán)保具有重要的意義。隨著各發(fā)電企業(yè)脫硫設(shè)備的不斷上馬，氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中暴露的問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重影響到了整個(gè)脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)氧化風(fēng)機(jī)的主軸失效開展相關(guān)研究并提出預(yù)防改進(jìn)措施十分必要。

1 失效基本情況

某火力發(fā)電公司1號(hào)機(jī)組氧化風(fēng)機(jī)1B輔轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/分，運(yùn)行時(shí)間為兩年，軸材質(zhì)為45號(hào)鍛鋼。該軸在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂，斷裂部位為光軸部分，附近區(qū)域無(wú)過(guò)渡及截面變化情況。圖1為軸斷面宏觀形貌。斷口呈清晰三區(qū)分布——起始斷裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，起始斷裂區(qū)存在研磨痕跡，有少量撕裂棱及裂紋擴(kuò)展臺(tái)階存在，最終瞬斷區(qū)較小，尚存金屬光澤。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 光譜檢驗(yàn)

采用德國(guó)斯派克光譜儀分別選取斷軸心部及邊緣部位測(cè)定材料的元素含量，結(jié)果見表1，檢驗(yàn)結(jié)果表明該軸元素含量無(wú)異常。

表1 軸元素含量

2.2 沖擊韌性檢驗(yàn)

采用JB-300C型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試該軸徑向沖擊韌性，結(jié)果見表2。

表2 軸沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

該軸沖擊韌性值低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且“V”型缺口沖擊韌性值大幅低于“U”型缺口沖擊韌性值，表明該種材料具有較高的缺口敏感性。

2.3 金相檢驗(yàn)

采用Carl Zeiss Axio Observer A1m型研究級(jí)倒置式金相顯微鏡觀察軸的顯微組織，腐蝕劑為4%硝酸酒精。

圖2為該軸的顯微組織圖片。

該軸內(nèi)部氧化物夾雜評(píng)為粗2～3級(jí)，金相組織為網(wǎng)狀鐵素體+層片狀珠光體組織，部分視場(chǎng)可見存在一定的魏氏傾向，為退火態(tài)組織。這是由于淬火未能消除鋼中的網(wǎng)狀鐵素體，所以高溫回火后并未獲得回火索氏體的正常組織，而魏氏鐵素體出現(xiàn)說(shuō)明加熱溫度偏高[1～3]。

2.4 SEM檢驗(yàn)

圖3為沖擊斷口SEM圖片。圖中未見韌窩形態(tài)存在，斷口為大面積河流花樣+衍生二次裂紋，可見少量撕裂棱，為典型低應(yīng)力脆性解理斷裂形態(tài)。此種斷口形貌與其金相組織表征吻合，即高強(qiáng)度的層片狀珠光體發(fā)生脆性斷裂，衍生二次裂紋由網(wǎng)狀鐵素體與珠光體邊界萌生擴(kuò)展。

圖4為軸斷裂處SEM圖片。該斷面雖已被污染，但河流花樣保存完整，撕裂棱也清晰可見，韌窩態(tài)不明顯，仍為典型脆性解理斷裂形態(tài)。

3 原因分析

該軸金相組織為非均勻穩(wěn)定的退火態(tài)組織，此種組織狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致材料抗疲勞性能大幅下降；沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明該軸沖擊韌性值未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且缺口敏感性較大，這將導(dǎo)致軸在運(yùn)行過(guò)程中一旦表面出現(xiàn)細(xì)小疲勞裂紋后會(huì)迅速失穩(wěn)擴(kuò)展。

綜上分析該軸斷裂是低應(yīng)力疲勞斷裂，與其金相組織為退火態(tài)組織，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中存在振動(dòng)，材料塑性低，缺口敏感性較大有關(guān)。

4 預(yù)防措施

4.1 改進(jìn)工藝措施

建議新?lián)Q軸采用正火+回火的熱處理工藝以保證軸的顯微組織及綜合機(jī)械性能。

4.2 加強(qiáng)到貨檢驗(yàn)工作

對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸類部件在投運(yùn)前應(yīng)對(duì)其開展入廠檢驗(yàn)工作，針對(duì)其常見的問(wèn)題應(yīng)實(shí)施理化檢驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)，確保軸的熱處理狀態(tài)及加工質(zhì)量滿足使用要求。

4.3 加大軸類部件運(yùn)行監(jiān)管力度

對(duì)軸類部件從安裝到運(yùn)行實(shí)施全過(guò)程管理，提高裝配精度，減小運(yùn)行振動(dòng)。

[1] 王倩.45鋼主軸熱處理畸變?cè)蚍治雠c改進(jìn)措施[J].金屬熱處理，2013,(5):115-118.

[2] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2007:11-15.

[3] 肖亞航，傅敏士，袁森. 45鋼內(nèi)部裂紋愈合的熱處理試驗(yàn)研究[J]. 金屬熱處理，2005,(6): 83-85．

[責(zé)任編輯：薛寶]

Failure Analysis and Preventive Measures for Fracture of Oxidation Fan Shaft

WANGJia-qing

(ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China)

Metallographic examination, chemical composition, mechanical property, fracture SEM inspiration are used for failure analysis in the fracture of 45 steel oxidation fan shaft of power plant boiler combining with on-site investigation of the case of the shaft. The result indicates that the fracture mode is brittle cleavage fracture. The micro-structure is unstable annealed organization. The notch sensitivity of shaft is obviously. Combined with the harsh operating environment，vibration and overload with long time lead to the formation of fatigue cracks in the surface of the shaft. Preventive measures are put forward finally.

45 steel; oxidation fan; shaft; heat treatment; failure analysis

2015-06-10

王家慶(1984-)，男，安徽滁州人，中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，金屬室總工，碩士，從事電站金屬材料相關(guān)理化檢驗(yàn)及金屬部件的失效分析工作。

TK223.27

A

1672-9706(2015)03- 0061- 04