劉敘筆, 岳賢強, 楊 超, 萬 瑜

(江蘇方天電力技術有限公司, 南京 211102)

磨煤機是火力發(fā)電廠重要的輔機設備[1-2]，其主要是牽引拉桿,起到帶動磨輥裝置以及對磨輥裝置施加碾磨壓力的作用。某電廠3 044 t/h超超臨界鍋爐使用的磨煤機拉桿規(guī)格為φ125 mm×1 445 mm，材料為40Cr鋼，熱處理采用表面滲碳工藝，工作時拉桿在常溫、常壓下做往復運動，設計使用壽命不低于35 000 h。但在服役過程中，該電廠兩臺磨煤機拉桿運行約20 000 h左右時先后發(fā)生了斷裂，造成停爐事故,影響了機組的安全、穩(wěn)定運行。

為查明斷裂原因，筆者對其中一臺磨煤機斷裂拉桿進行了斷口分析、金相檢驗、力學性能測試等，以期防止事故的再次發(fā)生[3-4]。

1 理化檢驗

1.1 斷口分析

斷裂拉桿宏觀形貌如圖1所示，可見拉桿于桿中間部位斷裂，外表面粗糙，有磨損痕跡。斷口整體宏觀形貌如圖2所示，可見斷口分為裂紋源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)，斷口平齊。疲勞擴展區(qū)及最終斷裂區(qū)宏觀形貌如圖3和圖4所示，疲勞擴展區(qū)隱約可見間距逐漸增大的疲勞紋，最終斷裂區(qū)較粗糙，且出現(xiàn)孔洞。在掃描電鏡下對斷口進行觀察，其疲勞擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)SEM形貌如圖5和圖6所示，可見疲勞擴展區(qū)為疲勞輝紋形貌，最終斷裂區(qū)為韌窩形貌。

圖1 斷裂拉桿宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured pull rod

圖2 斷裂拉桿斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of fractured pull rod

圖3 疲勞擴展區(qū)宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fatigue growth zone

圖4 最終斷裂區(qū)宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of final fracture zone

圖5 疲勞擴展區(qū)SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fatigue growth zone

圖6 最終斷裂區(qū)SEM形貌Fig.6 SEM morphology of final fracture zone

1.2 化學成分分析

在斷裂拉桿上取樣并進行化學成分分析，結果如表1所示，可見拉桿的化學成分滿足GB/T3077—2015《合金結構鋼》對40Cr鋼的技術要求。

表1 斷裂拉桿的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured pull rod (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

在磨煤機拉桿斷口附近圓鋼表層及心部各制取一個金相試樣。對表層縱截面試樣進行觀察，可見有較多硫化物夾雜，評級為2級，如圖7所示；表層有柱狀晶形貌的焊態(tài)組織，如圖8所示；補焊區(qū)與母材有明顯的熔合線，母材熔合區(qū)顯微組織形貌如圖9所示；表層補焊區(qū)附近的母材組織為較均勻的回火索氏體+貝氏體，顯微組織形貌如圖10所示。

圖7 斷口夾雜物形貌Fig.7 Morphology of inclusions at fracture

圖8 表層補焊層顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of surface repair welding layer

圖9 熔合區(qū)顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of fusion zone

圖10 表層母材顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of base metal at surface

判斷焊態(tài)組織的出現(xiàn)是因為該區(qū)域磨損較嚴重，檢修人員進行過現(xiàn)場補焊所致，且補焊后進行了表面打磨處理，因此外觀上無法分辨。

對心部橫截面試樣進行觀察，如圖11所示，可見顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體(魏氏組織)+珠光體，根據(jù)GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中推薦的熱處理制度(淬火+回火)，該組織屬于未淬透組織。

圖11 心部顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of the heart

1.4 力學性能測試

在拉桿距表面1/3半徑處制取一組硬度、拉伸及沖擊試樣，并進行力學性能測試，結果如表2所示?？梢娎瓧U強度及沖擊韌性均偏低，不符合GB/T 3077-2015對40Cr鋼的技術要求。該標準僅對經(jīng)調(diào)制處理(850 ℃淬火+520 ℃回火)后試樣的拉伸及沖擊性能指標作了規(guī)定，硬度測試結果僅供參考。

表2 力學性能測試結果Tab.2 Test results of mechanical properties

通過金相試樣測出硬度沿深度的分布曲線,結果如圖12所示?？梢姳砻婧缚p及熱影響區(qū)硬度明顯高于母材的，最高硬度出現(xiàn)在焊縫區(qū)域，達到385 HV0.1，推測該處焊接時未進行預熱和焊后熱處理。

圖12 拉桿顯微硬度沿深度的分布曲線Fig.12 Distribution curve of micro hardness along depth of pull rod

2 分析與討論

磨煤機拉桿化學成分符合40Cr鋼的設計要求，因硫含量較高，故有較多硫化物夾雜；如按GB/T 3077-2015對40Cr鋼淬火及回火的要求，斷裂拉桿強度和沖擊韌性均不達標；拉桿表層顯微組織為回火索氏體+貝氏體，未見滲碳層組織，心部為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，存在嚴重的未淬透現(xiàn)象。

通過金相檢驗在斷口附近發(fā)現(xiàn)拉桿表面存在粗大柱狀晶的焊態(tài)組織，說明拉桿曾因為磨損嚴重而補焊過，根據(jù)金相檢驗和硬度測試結果判斷顯微組織為馬氏體組織。40Cr鋼焊接性能差，結晶時易偏析，對結晶裂紋比較敏感，焊接時容易出現(xiàn)弧坑、裂紋等問題；而且40Cr鋼含碳量較高，快冷時易得到對冷裂紋較敏感的馬氏體組織，過熱區(qū)在冷速較大時，易形成硬、脆的高碳馬氏體而使過熱區(qū)脆化；因此40Cr鋼焊接時應進行適宜的焊前預熱和焊后熱處理工藝。

根據(jù)金相檢驗結合斷口分析結果可知，該斷口裂紋起源于拉桿表面的補焊區(qū)，從一側向另一側擴展，為單向彎曲交變應力下的疲勞斷裂。拉桿正常情況下不會產(chǎn)生彎曲應力，但如果導向裝置發(fā)生磨損，將產(chǎn)生水平推力。

3 結論及建議

(1) 磨煤機拉桿斷裂模式為起源于表面補焊層的單向彎曲疲勞斷裂。

(2) 拉桿斷裂的主要原因是供貨態(tài)拉桿存在質(zhì)量問題，拉桿表面未經(jīng)強化處理導致耐磨性和抗疲勞性能差；淬火、回火工藝不佳導致鍛件強度及韌性較差；不規(guī)范的補焊操作導致表層產(chǎn)生馬氏體，進而萌生裂紋，拉桿長期在往復拉應力及彎曲應力的作用下，裂紋疲勞擴展，最終導致疲勞斷裂。由于導向裝置磨損導致拉桿受力異常是斷裂的次要原因。

(3) 建議拉桿磨損后應制定規(guī)范的補焊工藝，進行適宜的焊前預熱和焊后熱處理；定期檢查導向裝置是否發(fā)生磨損，防止拉桿受到水平推力而產(chǎn)生彎曲疲勞。