褚 凱，劉 蛟，孟令強

（國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

某火電廠在鍋爐超凈改造中增加了煙氣阻力，因此更換了功率較大的引風機，其同步轉(zhuǎn)速為3600 r/min（60 Hz）。引風機的電機以及風機的驅(qū)動端、非驅(qū)動端均采用滾動軸承支撐，并在4 個軸承位置安裝DCS 振動在線監(jiān)測系統(tǒng)。引風機采用雙膜片式金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器連接，膜片材料為304 不銹鋼，膜片厚度為0.6 mm。除了4 點為新設(shè)計基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外，其余點均安裝在老引風機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，首次試運行時發(fā)現(xiàn)風機驅(qū)動端軸承振動超標，重新設(shè)計加固基礎(chǔ)剛度后，再次試轉(zhuǎn)引風機，各軸承振動幅值均達到較好的水平。待運行28 d 后，現(xiàn)場振動巡檢發(fā)現(xiàn)電機驅(qū)動端軸承振動異常，接近驗收值上限，并存在持續(xù)增大的趨勢，當天振動位移值瞬間達到50 絲，遠遠超出上限11 絲。聯(lián)軸器處存在異聲，隨即停機。拆開電機靠背輪與聯(lián)軸器的連接，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器兩側(cè)膜片組均已斷裂損壞，如圖1 所示。

圖1 斷裂的膜片組

本文以圖1 中斷裂的膜片組為研究對象，通過膜片顯微組織分析、斷口形貌分析，結(jié)合風機振動監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)診斷，得出膜片失效的直接原因是承受過大交變應(yīng)力引發(fā)疲勞失效，根本原因是新電機基礎(chǔ)沉降引發(fā)聯(lián)軸器處不對中而產(chǎn)生交變驅(qū)動力。針對失效根本原因提出相應(yīng)的解決方案，維修后風機正常運行。

1 理化分析及振動診斷

1.1 宏觀形貌與硬度測試

由圖1 可見，聯(lián)軸器膜片組由19 片膜片組成且已經(jīng)完全損壞，散落斷裂成四部分。斷口平整，無明顯氧化，呈現(xiàn)脆斷特性，如圖2 所示。根據(jù)GB/T 4340.1—1999《金屬維氏硬度試驗 第一部分試驗方法》對聯(lián)軸器膜片實施硬度測試，結(jié)果顯示膜片硬度達到470 HV，已經(jīng)高于最小標準值的2 倍，表明膜片的硬度非常高。

圖2 膜片宏觀斷口

1.2 顯微組織

截取一塊散落的膜片作為金相檢驗試樣，經(jīng)鑲樣、磨制、拋光，用體積分數(shù)為3%的FeCL3 鹽酸水溶液腐蝕后，采用蔡司Axio Imager A2m 型光學顯微鏡觀察其顯微組織。由圖3 可知，膜片的顯微組織為馬氏體+孿晶奧氏體，沿著膜片的圓周方向存在明顯的軋制流線，并在膜片內(nèi)部存在少許沿晶的微裂紋、夾雜物。綜上可知，304 不銹鋼膜片材料經(jīng)過軋制冷作硬化處理，形成形變誘發(fā)馬氏體+孿晶奧氏體，為正常的冷作硬化后顯微組織。同時由于存在較多的馬氏體，導致膜片硬度過高。

1.3 斷口形貌

圖3 斷裂膜片的顯微組織

采用FEI QUANTA 450FEG 型掃描電鏡觀察圖2 標志所示區(qū)域的微觀形貌，觀察結(jié)果見圖4。在膜片斷口中，發(fā)現(xiàn)多處疲勞源，呈現(xiàn)多源疲勞現(xiàn)象；在膜片中部存在疲勞推進線，為疲勞裂紋擴展區(qū)，裂紋沿著疲勞擴展臺階逐漸向膜片外表面擴展；膜片外表面為斷裂終了區(qū)，當疲勞裂紋擴展到該區(qū)域時，由于瞬斷區(qū)有效受力面積急劇減小，單位載荷過大，導致瞬間斷裂，同時由于晶界處存在夾雜物以及過大的剪切應(yīng)力，造成晶界破裂，產(chǎn)生微裂紋。由此可知，局部疲勞損傷是造成膜片斷裂的主要原因。

圖4 膜片斷口的微觀形貌

1.4 風機振動監(jiān)測與診斷

根據(jù)DCS 在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合恩泰克Dynamix-2500 振動測量采集儀，對引風機軸承振動進行監(jiān)測與故障診斷分析。由電機驅(qū)動端軸承振動DCS 監(jiān)測幅值變化趨勢圖（圖5）可知，驅(qū)動端軸承正常運行情況下振動幅值穩(wěn)定在2.8 絲附近，今年7 月2 日發(fā)現(xiàn)幅值瞬間升高到9 絲并逐漸升高到13 絲，聯(lián)軸器處發(fā)出異響，使用恩泰克Dynamix2500 振動測量儀對其進行振動測量與診斷分析。由電機驅(qū)動端軸承振動頻譜可知，水平方向以轉(zhuǎn)頻為基頻，2X 諧頻幅值高于基頻，存在較大的3X 諧頻；垂直方向以轉(zhuǎn)頻為基頻，存在較大的2X、3X 諧頻，軸向振動較小。以上分析結(jié)果表明聯(lián)軸器兩側(cè)存在不對中現(xiàn)象[1-2]，且軸向振動較小，表明為平行不對中，造成振動異常上升。

圖5 電機驅(qū)動端軸承振動變化趨勢

2 原因分析及處理

顯微組織和斷口分析結(jié)果表明：經(jīng)過冷作硬化的膜片顯微組織正常，冷作硬化馬氏體提高了膜片材料硬度同時使抗疲勞性能下降，基材中存在的夾雜提供疲勞源。

風機振動監(jiān)測與診斷數(shù)據(jù)表明，聯(lián)軸器兩側(cè)存在平行不對中造成振動異常升高，為膜片疲勞斷裂提供了驅(qū)動力，過大交變應(yīng)力作用下引發(fā)材料損傷是導致膜片快速斷裂失效的直接原因。

平行不對中屬于一種軸系不對中，是指聯(lián)軸器兩側(cè)的機器軸心線不在同一水平方向，相互平行[3]。當兩半聯(lián)軸器存在平行不對中時，強制連接將會在聯(lián)軸器軸上產(chǎn)生較大的附加彎曲應(yīng)力，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，徑向彈性力方向改變4 次，發(fā)生兩次徑向振動，從而激起較大的轉(zhuǎn)頻2X 諧波振動[4-5]，在頻譜中也會出現(xiàn)較大的3X 頻率諧波。平行不對中產(chǎn)生的較大的附加徑向力作用在聯(lián)軸器上膜片上，較高的載荷產(chǎn)生大的交變應(yīng)力，且雙膜片式聯(lián)軸器屬于金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，其膜片硬度高，吸振能力差，從而導致膜片在周期性應(yīng)力作用下過早出現(xiàn)疲勞斷裂失效現(xiàn)象[6]。

造成平行不對中的原因包括機器內(nèi)部零件安裝不正確或已損壞，安裝誤差、管道應(yīng)變或軟腳造成的機器外殼翹曲、溫度變化或位移以及基礎(chǔ)沉降不均等都會造成平行不對中。

停機后，通過現(xiàn)場原因排查發(fā)現(xiàn)引風機新電機基礎(chǔ)沉降3 mm 是造成聯(lián)軸器不對中的主要原因。重新設(shè)計并加固新電機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，進行精對中處理后，引風機工作平穩(wěn)，振動正常，運行半年以來未再出現(xiàn)此類聯(lián)軸器膜片斷裂失效現(xiàn)象。

3 結(jié)語

某電廠在更換大功率引風機之后出現(xiàn)聯(lián)軸器膜片斷裂失效，本文通過顯微組織觀察、斷口分析及振動診斷確定根本原因并成功處理。針對此問題，提出如下建議。

（1）引風機變更安裝后，進行必要的振動監(jiān)測診斷，及時診斷異常振動。如若在首次軸振超標及時發(fā)現(xiàn)2X、3X 頻率異常，進行原因排查，可預(yù)防聯(lián)軸器膜片斷裂失效。

（2）聯(lián)軸器膜片基材內(nèi)含有夾雜，且由于冷作硬化存在大量馬氏體，疲勞源和疲勞敏感性并存。運行期間應(yīng)通過DCS 密切關(guān)注該風機的振動情況，振動異常及時主動停機可避免聯(lián)軸器膜片斷裂失效。