徐衛(wèi)仙，王 杰，喬立捷

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

發(fā)電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)葉柄斷裂原因分析

徐衛(wèi)仙，王 杰，喬立捷

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

本文采用金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對引風(fēng)機(jī)葉柄斷裂原因進(jìn)行了分析。葉柄斷裂位置螺紋根部可見明顯的加工刀痕，在尖銳處存在應(yīng)力的最大值，引起應(yīng)力集中。在拉應(yīng)力、彎曲及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，可能導(dǎo)致裂紋的萌生。另外，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中振動(dòng)疲勞與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞聯(lián)合作用，亦將引起葉柄斷裂的擴(kuò)展，導(dǎo)致葉柄最終斷裂。

引風(fēng)機(jī)；葉柄；疲勞；斷裂

0 引言

某電廠#2機(jī)組引風(fēng)機(jī)為雙級動(dòng)葉可調(diào)軸流式，型號SAF30.5-17-2，配置引風(fēng)機(jī)2臺。風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向：從電機(jī)側(cè)向風(fēng)機(jī)側(cè)看，風(fēng)機(jī)葉輪為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

#2機(jī)組引風(fēng)機(jī)投產(chǎn)時(shí)間為2014年5月27日，2015年03月23日04時(shí)51分，#2機(jī)組負(fù)荷435MW，A引風(fēng)機(jī)X振動(dòng)7.03mm/s，Y振動(dòng)3.57mm/s，爐膛壓力-60～50Pa，機(jī)組其余各參數(shù)均正常。2015年03月23日04時(shí)52分，A引風(fēng)機(jī)振動(dòng)X由7.03mm/s突然漲到19.9mm/s，Y由 3.57mm/s突然漲至19.9mm/s?，F(xiàn)場檢查#2機(jī)A引風(fēng)機(jī)一級葉輪有一片葉片飛出，距A引風(fēng)機(jī)12m左右；同時(shí)引風(fēng)機(jī)上蓋有明顯損傷；對A引風(fēng)機(jī)揭蓋后，發(fā)現(xiàn)一級葉輪其中一片葉片的葉柄斷裂，一級葉輪的其余葉片均已受損，二級葉輪的葉片均不同程度受損，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)呈現(xiàn)裂紋，地腳螺栓松動(dòng)、斷裂。

本文將對葉柄斷裂的原因進(jìn)行分析，查明葉片的葉柄軸斷裂原因，防止類似事故再次發(fā)生。

1 試樣和試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試樣由該電廠提供，葉柄材質(zhì)為42CrMo-5，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，其化學(xué)成分均符合GB/T 3077-1999標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)驗(yàn)前將試樣用丙酮清洗。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，利用Leica DMI 5000M型金相顯微鏡分析試樣的金相組織，并用Tescon VEGA 3 LMU型掃描電子顯微鏡及Oxford X-act型能譜儀觀察試樣斷口的微觀形貌及能譜分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

42CrMo-5的化學(xué)成分見表1。

表1 葉柄化學(xué)成分分析結(jié)果

2.2 宏觀檢查

圖1所示為送檢樣品的斷裂位置示意圖。斷面位置為葉柄與輪轂連接螺紋起始部位（第一與第二絲扣的絲底），斷面邊緣沿整圈絲扣的絲底分布，斷面垂直于葉柄軸，斷口整體平齊，未發(fā)生明顯塑性變形，整體呈現(xiàn)脆性斷裂，為典型疲勞斷裂特征，且應(yīng)力水平較低。

圖1斷裂位置示意圖

圖2 所示為斷口宏觀形貌，由圖2可知，斷口由軸近表面的A位置處起源，在較低的拉、旋轉(zhuǎn)、彎曲交變應(yīng)力作用下，裂紋以較慢的速度擴(kuò)展[1]，即圖2的B區(qū)域。在該區(qū)域可以清晰看到海灘條狀貝紋線及裂紋擴(kuò)展區(qū)[2]，同時(shí)呈現(xiàn)脆性斷口特征，斷口邊緣看到約45度角臺階。裂紋擴(kuò)展至軸半徑的1/2處后，擴(kuò)展加速，在C處能觀察到清晰的疲勞弧線，疲勞弧線的圓心指向最后斷裂區(qū)。隨著擴(kuò)展繼續(xù)進(jìn)行，葉柄軸有效截面不斷減小，最終形成瞬斷區(qū)（圖2的D區(qū)域），瞬斷區(qū)域呈放射狀并反指向裂紋，具備一定塑性特征。另外，在斷口邊緣處還發(fā)現(xiàn)兩處扭轉(zhuǎn)斷裂的形貌特征，即圖2的E、F區(qū)域。從紋路擴(kuò)展情況可以判斷在E、F兩個(gè)區(qū)域的邊緣處，也有裂紋源。葉柄正是在受拉、彎曲、扭轉(zhuǎn)[3]等共同作用下，在主裂紋源A處、次裂紋源E、F處產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，并最終至葉柄軸斷裂。

圖2中位置D區(qū)域（瞬斷區(qū)）撕裂最嚴(yán)重。將斷口D區(qū)域沿縱向切開，可以看到在位置D左側(cè)所對應(yīng)的切口側(cè)面，有位于橫截面方向擴(kuò)展的裂紋（如圖3所示）。由于在主斷面疲勞斷裂的最后階段，有效承載面積減小，局部應(yīng)力增加，產(chǎn)生了次生裂紋[4]。

2.3 金相組織檢驗(yàn)

在葉柄螺紋根部、螺紋頂部、葉柄橫截面心部分別進(jìn)行了金相組織檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖2 斷口橫截面形貌

圖3 D區(qū)域縱斷面的次生裂紋

圖4 葉柄金相組織

由圖4可知，在螺紋根部、螺紋頂部、葉柄橫截面心部的金相組織均為細(xì)小的回火索氏體，金相組織未發(fā)現(xiàn)異常。同時(shí)看到心部組織略顯粗大，可能由于軸尺寸較大，心部未淬透所致。

2.4 硬度試驗(yàn)

采用HBE-3000A型電子布氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行布氏硬度測試，結(jié)果見表2。由表2可知，葉柄材質(zhì)硬度值符合設(shè)計(jì)要求。

表2 葉柄材質(zhì)硬度值

2.5 微觀形貌分析

從宏觀斷口分析可知，主裂紋起源于葉柄一側(cè)螺紋根部，為了進(jìn)一步分析及確認(rèn)裂紋的形成過程和裂紋形態(tài)，在掃描電鏡上觀察斷口的微觀形貌。

圖5所示為圖2中A區(qū)域邊緣處（主裂紋源區(qū)）的微觀形貌。由圖5可知，在螺紋根部可見明顯的加工刀痕，加劇應(yīng)力集中，在尖銳缺口處存在應(yīng)力峰值。在拉應(yīng)力、彎曲及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，可能優(yōu)先產(chǎn)生裂紋（也就是裂紋源），裂紋在應(yīng)力持續(xù)作用下擴(kuò)展。圖5中螺紋根部存在一條與加工刀痕方向平行的裂紋，以及裂紋一側(cè)的微觀臺階，是在局部較大應(yīng)力集中下裂紋擴(kuò)展形成的。

圖5 主裂紋起源處斷口形貌

圖6 為裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌，表現(xiàn)為典型的解理斷裂，為調(diào)質(zhì)組織中較常見的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形態(tài)[5]。

圖7是快速擴(kuò)展區(qū)斷口形貌，上面可見由于擴(kuò)展速度過快形成的大量微裂紋，并且斷口形貌已表現(xiàn)出一定的塑性特征。

圖8是瞬斷區(qū)斷口形貌。解理斷裂和塑性斷裂的混合形貌。

圖9是圖2的E區(qū)域螺紋根部的形貌特征。圖中可以看出，在螺紋根部，有著明顯不規(guī)則的微裂紋。微裂紋位于擴(kuò)展方向的起始處，斷面與葉柄橫截面平行，并且斷口宏觀形貌表現(xiàn)出撕裂狀，微觀形貌表明斷口有一定塑性。

圖6 裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌

圖7 快速擴(kuò)展區(qū)斷口形貌

圖8 瞬斷區(qū)斷口形貌

圖9 次裂紋源區(qū)螺紋根部的形貌

3 結(jié)語

（1）葉柄的化學(xué)成分、硬度、金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，葉柄斷裂與原材料質(zhì)量無直接關(guān)聯(lián)。

（2）葉柄斷口整體平齊，未發(fā)生明顯塑性變形，整體呈現(xiàn)脆性斷裂，主裂紋擴(kuò)展區(qū)存在明顯條狀貝紋線，為典型疲勞斷裂，且應(yīng)力水平較低。

（3）葉柄斷裂原因?yàn)椋喝~柄斷裂處螺紋根部的加工刀痕，加劇應(yīng)力集中，在尖銳處存在應(yīng)力峰值，在拉應(yīng)力、彎曲及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，優(yōu)先產(chǎn)生裂紋，在不斷交變的外力作用下，裂紋擴(kuò)展至葉柄斷裂。

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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

徐衛(wèi)仙（1989-），女，江西上饒人，碩士，研究方向：金屬材料失效分析。