徐吉嶺,龐琳亞
(徐州華潤電力有限公司,江蘇徐州 221142)
01#輪斗軸為長春發(fā)電設備總廠生產(chǎn),2010 年安裝投運。2017 年1 月3 日19 時46 分,大霧天氣,一值中班,01#斗輪機操作員和巡檢員準備啟動01#斗輪機加倉,懸臂皮帶啟動后,輪斗未轉(zhuǎn),于是巡檢員進行仔細檢查,發(fā)現(xiàn)輪斗軸斷裂。斷裂位置在加工臺階處,斷裂處軸徑262 mm。
圖1 斷口宏觀照片
斷裂位于加工臺階處(最大軸徑位置),斷口上分深黑色及黃色2 個區(qū)域:深色區(qū)域較為平坦光滑,為疲勞擴展區(qū);黃色區(qū)域較為粗糙,有粗大的放射棱,為快速斷裂區(qū)(圖2)。加工臺階過渡R 處有較多的棘輪標記,為多裂紋源擴展匯集而成,說明此處應力集中程度較大(表現(xiàn)為多源特征)。
由圖2 斷口光學照片可見,該斷口為脆性斷口、疲勞斷裂,其特征為:①斷裂處很少或沒有宏觀塑性變形;②斷口平坦,斷口與應力方向垂直;③斷裂起源于變截面,表面缺陷和內(nèi)部缺陷等應力集中部位。
圖2 斷口形貌
斷軸表面用ARL3460 臺式光譜儀對其作化學成分定量分析,在斷軸上制取成分分析試樣,分析結(jié)果見表1。輪斗軸成分符合45#鋼的設計要求。
在斷軸外緣1/2 半徑處制取一組硬度試樣、拉伸試樣及沖擊試樣進行力學性能試驗,試驗結(jié)果見表2。依照JB/T 6397—2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》標準的要求,對于45#鋼調(diào)質(zhì)態(tài)力學性能要求,其抗拉強度、沖擊吸收功均超標,沖擊韌性嚴重不足。
在斷口附近外緣及心部各制取一只金相試樣,觀察縱截面顯微組織。非金屬夾雜物為A 類2 級(圖3)。心部顯微組織為珠光體+大量網(wǎng)狀鐵素體(圖4),外緣顯微組織為索氏體+極少量網(wǎng)狀鐵素體(圖5)。可見由于軸徑太大,正火時表面冷速較快,先共析鐵素體被抑制,形成較細密的索氏體組織,而心部冷速較慢,大量先共析鐵素體以網(wǎng)狀形式析出,導致其韌性較差、強度相對較低。
表1 元素成分 %
表2 力學性能結(jié)果
圖3 非金屬夾雜物形貌
圖4 心部縱向顯微組織
圖5 外緣橫截面顯微組織
由于不同類型載荷所造成的韌性斷裂其斷口特征不同,因此反過來可根據(jù)斷口宏、微觀特征來分析判定該輪斗軸所受載荷的類別:
拉伸載荷引起的韌性斷裂,宏觀斷口往往呈杯錐狀或呈45°切斷外形,斷裂處一般可見縮頸,斷口上有大面積的韌窩且大都呈等軸韌窩或呈輕微拉長韌窩。
扭轉(zhuǎn)載荷引起的韌性斷裂,宏觀斷口大都呈切斷型,微觀上是拉長韌窩,匹配面的韌窩拉長方向相反。
沖擊載荷引起的韌性斷裂,在宏觀上有沖擊載荷作用留下的痕跡,斷口周邊有不完整的45°唇口,微觀上呈撕裂拉長韌窩,匹配面上的韌窩拉長方向相同。
輪斗軸斷裂截面宏觀上符合沖擊載荷引起的韌性斷裂,裂紋起源于加工臺階過渡R 處外緣,該處應力集中程度較大。因此,下列因素之一均有可能引起金屬零件韌性斷裂失效:①零件所用材料強度不夠;②零件所承受的實際載荷超過原設計要求;③零件在使用中出現(xiàn)了非正常載荷;④零件存在偶然的材質(zhì)或加工缺陷而引起應力集中,使其不能承受正常載荷而導致韌性斷裂失效;⑤零件存在不符合技術(shù)要求的鑄造、鍛造、焊接和熱處理等熱加工缺陷。
如果按照JB/T 6397—2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件》標準驗收,斗輪軸元素成分符合45#鋼的設計要求,但沖擊韌性極低。從顯微組織來看,該軸的熱處理狀態(tài)應為正火或正火+回火,心部冷卻速度相對較慢導致生成大量網(wǎng)狀鐵素體,對材料韌性有較大影響,硫化物夾雜達到2 級,對其韌性亦有一定影響。
從斷口形貌看,裂紋起源于加工臺階過渡R 處外緣,該處應力集中程度較大,導致具有棘輪標記的多源特征;經(jīng)過一段時間的疲勞擴展后,形成月牙狀的平坦區(qū)域;疲勞擴展至1/2 半徑處(該處沖擊韌性非常低)時,在一個較大的沖擊載荷下發(fā)生快速斷裂,形成粗大放射棱的粗糙斷裂區(qū)。
綜上所述,輪斗軸斷裂的內(nèi)因是韌性過低,這可能與內(nèi)部大量網(wǎng)狀鐵素體有關(guān);外因是工作時受到一個較大的動載荷(沖擊載荷)作用。
進一步分析外因:斷裂的直接原因可能是斗輪機懸臂抬至最高處堆料,在大車行走過程中,30 m 長的懸臂的抖動,帶動輪斗晃動,輪斗受其自重的力的作用(自重及附件大于5 t),且在斷口面早已形成疲勞擴展區(qū)的情況下,急速脆性斷裂。
形成斷口疲勞擴展區(qū)的可能原因有:01#斗輪機長期取用1#煤場汽車煤,煤層較硬,輪斗阻力增大,輪斗軸扭力增大,長時間超負荷運行,輪斗軸長期疲勞。因此建議做好以下5 個方面的工作。
(1)定期檢查、維護、試驗過力矩護保護裝置和防撞裝置,并做好記錄。
(2)做好斗輪機檢查維護,并加強動靜態(tài)巡視。
(3)特殊天氣(如濃霧、暴雨等天氣),發(fā)電部應制定在此中天氣狀況下斗輪機運行的安全技術(shù)措施及組織措施,保證斗輪機安全穩(wěn)定運行。
(4)取料操作時,斗輪的吃煤厚度與深度應當保持適中,盡量保證取料均勻,防止超負荷取料。
(5)增加輪斗過電流報警裝置,增加輪斗部位的照明和監(jiān)控。