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        煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂原因分析

        2018-11-08 03:21:54張雪超
        山東電力技術(shù) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:分析檢測(cè)

        張雪超,張 濤,陳 浩,李 紅,圖 嘎

        (內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

        0 引言

        某電廠細(xì)碎機(jī)啟動(dòng)后,值班員發(fā)現(xiàn)4號(hào)皮帶攝像頭全是煤粉,隨即停止細(xì)碎機(jī)運(yùn)行,并聯(lián)系運(yùn)行人員就地檢查,發(fā)現(xiàn)細(xì)碎機(jī)液耦飛出至細(xì)碎機(jī)東墻處,細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)子軸斷裂。該煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸材質(zhì)為45鋼,直徑為140 mm。為探究該轉(zhuǎn)軸斷裂的原因,防止此類事件發(fā)生,采用外觀形貌分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測(cè)、顯微組織檢測(cè)及斷口微區(qū)分析等試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合分析。

        1 檢驗(yàn)方法與分析

        1.1 宏觀形貌檢驗(yàn)與分析

        對(duì)斷裂的煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行宏觀形貌檢驗(yàn)。煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂于直徑由140 mm向132 mm突變的變截面周向卡槽的倒角部位,倒角部位加工較為粗糙且未見明顯的過渡圓角;斷口表面整體較為齊平,未見明顯的塑性變形,斷口上初始斷裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)等特征區(qū)域清晰可辨;在斷口擴(kuò)展區(qū),可見較為清晰的疲勞條紋。斷口表面機(jī)械損傷較為嚴(yán)重,但仍可看出斷口表面大部分區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū),最后瞬斷區(qū)所占面積僅為斷口總面積的10%;說明轉(zhuǎn)軸是在高周低應(yīng)力載荷狀態(tài)下發(fā)生的疲勞斷裂。煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸整體及斷口宏觀形貌如圖1所示。

        1.2 斷口微區(qū)檢測(cè)與分析

        利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口進(jìn)行檢測(cè)。斷裂起始于軸體變截面的尖銳倒角部位,斷口大部分區(qū)域以疲勞的方式進(jìn)行擴(kuò)展,局部伴有二次撕裂形貌;瞬斷區(qū)域則呈現(xiàn)較為明顯的脆性解理斷裂形貌,如圖2所示。

        圖1 煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸整體及斷口宏觀形貌

        圖2 煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口SEM形貌

        1.3 化學(xué)成分檢測(cè)與分析

        按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定 火花源放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》[1]要求,利用 SPECZROMAXx 型臺(tái)式直讀光譜儀,對(duì)煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明,煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸化學(xué)成分中各元素含量與GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中45鋼的化學(xué)成分含量相符。

        表1 煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸45鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

        1.4 顯微組織檢測(cè)與分析

        按照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》[2]要求,利用 Axio Observer.A1m 型金相顯微鏡對(duì)煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸取樣進(jìn)行金相顯微組織檢測(cè)。可以看出,煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸整個(gè)橫截面上的組織均為珠光體和沿晶界分布的網(wǎng)狀鐵素體,平均晶粒度為7級(jí),組織局部存在帶狀偏析,偏析帶處存在較為嚴(yán)重的夾雜物,夾雜物為2級(jí)粗系硫化物,如圖3所示。

        圖3 斷裂的煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸各部位組織

        1.5 力學(xué)性能檢測(cè)與分析

        按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分:試驗(yàn)方法》[3]要求,利用 CMT5305 型電子萬能試驗(yàn)機(jī),對(duì)斷裂煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行常溫拉伸性能檢測(cè);按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[4]要求,利用沖擊試驗(yàn)機(jī),對(duì)斷裂的煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果見表2??梢钥闯?,煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求;斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收功符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表2 轉(zhuǎn)軸各項(xiàng)常溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(20℃)

        2 結(jié)果與討論

        煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸存在8 mm臺(tái)階變截面且倒角部位加工粗糙,形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)域;斷口截面斷裂特征區(qū)域明顯,且在斷口擴(kuò)展區(qū),可見清晰疲勞條紋,說明轉(zhuǎn)軸是在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞斷裂。

        設(shè)備運(yùn)行過程中,轉(zhuǎn)軸作為動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部位,既承受沿軸向的拉應(yīng)力,又承受轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的切應(yīng)力,同時(shí)在運(yùn)行設(shè)備的振動(dòng)中也會(huì)有彎曲應(yīng)力,而該轉(zhuǎn)軸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求,長(zhǎng)時(shí)間的拉伸和彎曲下,該轉(zhuǎn)軸無法承受應(yīng)力,便萌生裂紋源。

        此外,轉(zhuǎn)軸基體組織中存在帶狀偏析,偏析帶處存在較為嚴(yán)重的夾雜物,破壞了材料的完整性,會(huì)嚴(yán)重降低材料基體的強(qiáng)度和韌性;使得轉(zhuǎn)軸材料的韌性儲(chǔ)備不足,抵抗疲勞開裂與抗裂紋擴(kuò)展的能力較弱。

        3 結(jié)論與建議

        本次煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂的主要原因有以下兩點(diǎn):軸體的變截面處未設(shè)置過渡倒角且加工粗糙,使得該位置存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中[5];軸體材料加工階段未進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理[6],造成轉(zhuǎn)軸組織狀態(tài)及力學(xué)性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸運(yùn)行過程中,在以循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷為主的復(fù)雜工況作用下,在變截面的應(yīng)力集中部位形成裂紋缺陷,并快速擴(kuò)展引發(fā)軸體高周低應(yīng)力水平的疲勞斷裂[7-8]。

        為避免再次發(fā)生類似轉(zhuǎn)軸斷裂失效事件,首先,應(yīng)從進(jìn)貨源頭控制碎煤機(jī)轉(zhuǎn)軸材料的質(zhì)量,選用經(jīng)合格熱處理工藝、組織和性能合格的材料制作的轉(zhuǎn)軸;其次,轉(zhuǎn)軸上變截面部位的機(jī)械加工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行過渡,并提高加工精度;最后,應(yīng)避免極端工況的出現(xiàn),避免煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸承受異常載荷,以免再次出現(xiàn)類似轉(zhuǎn)軸斷裂失效事件。

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