浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司 季靜靜
某電廠一期機(jī)組鍋爐空預(yù)器為哈爾濱鍋爐廠空氣預(yù)熱器有限公司設(shè)計提供的容克式三分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器,型號為28.5-VI(T)-1733-SMR,轉(zhuǎn)子直徑為Φ9970mm,轉(zhuǎn)子總重量190t/臺空預(yù)器,傳動方式為中心傳動,空預(yù)器轉(zhuǎn)子采用冷端支承方式,在空預(yù)器轉(zhuǎn)子的上、下端各設(shè)置導(dǎo)向軸承和支承推力軸承。空預(yù)器導(dǎo)向軸承安裝于軸承座內(nèi),運(yùn)行中軸承座處于封閉狀態(tài),若運(yùn)行參數(shù)無明顯變化,較難判斷軸承故障[1]??疹A(yù)器為鍋爐重要輔機(jī),若導(dǎo)向軸承故障,可能導(dǎo)致空預(yù)器故障跳閘等重大后果,本文通過某廠2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承內(nèi)圈開裂失效案例分析,通過對失效軸承進(jìn)行宏觀檢查及理化試驗查找及分析失效原因[2-3],并進(jìn)一步拓展總結(jié)空預(yù)器導(dǎo)向軸承失效形式及預(yù)防措施,供發(fā)電廠鍋爐專業(yè)人員參考借鑒[4-5]。
軸承失效情況:2021年4月中旬,#2機(jī)組C修期間,檢修人員根據(jù)安排在對2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承檢查中發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈開裂失效(見圖1),檢查軸承箱潤滑油質(zhì)未見異常,拆卸該軸承后發(fā)現(xiàn)失效斷口平直,無明顯氧化皮,裂紋起裂于內(nèi)圈主軸側(cè)上方導(dǎo)角平面上的腐蝕凹坑,凹坑處有約1mm半徑的扇形損傷,后以此為中心,向外圍放射狀擴(kuò)展。本次檢修中對該導(dǎo)向軸承進(jìn)行了更換,并將失效的導(dǎo)向軸承外送浙能技術(shù)研究院實驗室進(jìn)行理化檢驗,以便于查找并分析該軸承的失效原因,同時檢修中對2B空預(yù)器導(dǎo)向軸承通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行了仔細(xì)排查,未發(fā)現(xiàn)異常。
圖1 失效的軸承內(nèi)圈
圖2 斷口圖
失效的2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承為雙列向心球面滾子軸承,軸承型號23072CCK,軸承品牌為SKF。詳細(xì)導(dǎo)向軸承結(jié)構(gòu)見圖3。該導(dǎo)向軸承除用作固定空預(yù)器轉(zhuǎn)子上端軸的旋轉(zhuǎn)中心外,還承受由風(fēng)煙差壓所引起的側(cè)向推力以及轉(zhuǎn)子晃動所引起的徑向推力。該導(dǎo)向軸承安裝在軸承箱內(nèi),軸承內(nèi)圈固定在上軸套上,外圈固定在導(dǎo)向軸承座上,上軸套通過鎖緊盤抱緊上軸,整個上軸套加導(dǎo)向軸承座隨著空預(yù)器主軸的熱膨脹而相應(yīng)位移,導(dǎo)向軸承座可在導(dǎo)向軸承外殼內(nèi)做軸向移動。軸承外殼支承在上梁中心部分,軸承采用油浴潤滑,軸承正常轉(zhuǎn)速約為0.9轉(zhuǎn)/分,軸承潤滑油為長城N680重負(fù)荷極壓工業(yè)齒輪油,軸承箱潤滑油冷卻方式為采用閉式循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻。該軸承由空預(yù)器廠家隨機(jī)配供,自2011年10月機(jī)組投產(chǎn)后使用情況良好,歷次檢修中均檢查正常,檢修前運(yùn)行中該導(dǎo)向軸承溫度、振動等各項參數(shù)均正常,空預(yù)器電流運(yùn)行平穩(wěn),截至本次失效時已使用約10年,已接近設(shè)計使用壽命。
圖3 空預(yù)器導(dǎo)向軸承結(jié)構(gòu)圖
3.2.1 光譜分析
用iSpark8860定量光譜儀對失效的軸承內(nèi)圈材料牌號進(jìn)行確認(rèn),軸承內(nèi)圈成分如表1所示。軸承內(nèi)圈材質(zhì)不詳,查閱GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》,判斷軸承內(nèi)圈材質(zhì)可能為GCr15SiMn。
表1 軸承內(nèi)圈成分(質(zhì)量百分比/%)
3.2.2 金相分析
在斷口切面B和切面A(切面位置見圖1)進(jìn)行金相試驗,金相組織如圖4所示,兩切面均有細(xì)小顯微孔隙,金相組織為隱晶馬氏體+殘余碳化物顆粒,碳化物評級II級,有較大條狀夾渣和塊狀未熔金屬,切面A顯微空隙中夾渣邊上有兩條微裂紋。
圖4 金相圖
3.2.3 力學(xué)分析
取沖擊樣進(jìn)行拉伸沖擊試驗,試驗結(jié)果如表2所示,拉伸沖擊試驗未見異常。
表2 沖擊試驗數(shù)據(jù)
3.2.4 硬度試驗
現(xiàn)代學(xué)徒制之所以被職業(yè)院校所推崇,主要原因是可以將教師在實踐工作的經(jīng)驗和做法直接教給學(xué)生,每一位教師多年來都積累了一定的工作經(jīng)驗,在技術(shù)運(yùn)用和技術(shù)創(chuàng)新中都會有自己獨(dú)到的理解,通過現(xiàn)代學(xué)徒制可以手把手教給學(xué)生,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中真正得到老師的“真?zhèn)鳌?,也讓人類社會的技術(shù)能夠代代傳承,這也是傳承工匠精神的真諦。
在軸承橫截面使用NEXUS 3001布氏硬度計檢查。在切面A金相試驗位置進(jìn)行布氏硬度試驗,硬度值如表3所示。查閱鋼鐵材料手冊《工具鋼 軸承鋼》,此牌號軸承鋼硬度不小于62HRC,轉(zhuǎn)換硬度值稍低于手冊要求。
表3 硬度值
3.2.5 斷口掃描檢測
對失效的軸承內(nèi)圈斷口起裂擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行掃描,如圖5(a)所示,斷口起裂位置有1個凹坑,近表面小區(qū)域有磨損痕跡,從凹坑為中心有隱約放射狀紋路。如圖5(b)、5(c)所示,將凹坑區(qū)域放大后觀察,裂紋起源于凹坑底部方塊狀夾渣區(qū)域,進(jìn)行能譜面掃發(fā)現(xiàn)方塊狀夾渣主要成分為Cu。如圖5(d)、5(e)所示,擴(kuò)展區(qū)斷口呈冰糖狀,細(xì)小球形顆粒狀覆蓋表面,能譜檢測主要成分為Fe、C,應(yīng)為球狀滲碳體。如圖5(f)所示,在擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)細(xì)小二次裂紋。
圖5 斷口掃描圖
失效的導(dǎo)向軸承內(nèi)圈斷口平整,上部斷口光滑,下部漸漸粗糙,內(nèi)圈上端導(dǎo)角表面有較多腐蝕凹坑,裂紋起源于一個凹坑底部,呈細(xì)扇形狀向橫向、縱向放射狀擴(kuò)展,呈解理斷裂特征。對斷口SEM掃描,斷口呈冰糖狀,為沿晶斷裂特征,多處有細(xì)小二次裂紋,在起裂凹坑底部有多塊塊狀未溶解Cu金屬(能譜檢測),Cu塊距內(nèi)圈外表面約1mm。
對軸承內(nèi)圈理化試驗,光譜分析內(nèi)圈材質(zhì)為高鉻碳軸承鋼GCr15SiMn,布氏硬度轉(zhuǎn)換的洛氏硬度為59.46HRC,沖擊功KU2=5.66。查閱鋼鐵材料手冊,洛氏硬度稍低于手冊要求值,沖擊功雖無要求,但表明此材料較脆。樣品拋光態(tài)下有較多未熔解塊狀Cu金屬,降低了沖擊功,金相組織為隱晶馬氏體+殘余碳化物顆粒,夾渣、碳化物等評級均符合GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》要求。
綜上所述,軸承內(nèi)圈上方導(dǎo)角區(qū)域處于空氣與潤滑油交界位置,由于Cu塊埋于表面下,通過晶界處或夾渣的通道形成局部微電池,造成表面電化學(xué)腐蝕,形成了導(dǎo)角面上多處小腐蝕坑。軸承在運(yùn)行中承受循環(huán)沖擊,如切面A顯微空隙照片中夾渣邊上萌生了兩條微裂紋。對于軸承鋼,能萌生裂紋的夾雜物尺寸多數(shù)在2~6μm,易表面萌生裂紋的夾雜物位置多數(shù)萌生于表面下0.03~0.06mm范圍內(nèi),而近表面的夾雜物(Cu)在腐蝕后均滿足以上條件。加上此內(nèi)圈材料沖擊功極低,耐沖擊能力下降,表面微裂紋形成后,在運(yùn)行中受較大沖擊后,裂紋極易快速擴(kuò)展,造成內(nèi)圈開裂失效。
2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承內(nèi)圈材料中存在較多2~6μm大小夾渣物(非金屬化合物和未熔解小Cu塊),內(nèi)圈導(dǎo)角表面有多處小腐蝕坑,裂紋起源于腐蝕坑底部,同時材料的沖擊韌性差,在承受較大沖擊載荷時,表面裂紋迅速擴(kuò)展開裂,導(dǎo)致2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承內(nèi)圈失效,軸承損壞。
一是導(dǎo)向軸承采購時應(yīng)選用采用優(yōu)質(zhì)知名品牌,嚴(yán)格執(zhí)行入軸承庫前的驗收,確保軸承產(chǎn)品達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求。
二是規(guī)范空預(yù)器檢修作業(yè),檢修或更換導(dǎo)向軸承步驟需嚴(yán)格安裝廠家要求執(zhí)行,特別注意空預(yù)器傳動軸偏心值應(yīng)符合制造廠規(guī)定值,并做好檢修記錄。
三是定期對空預(yù)器導(dǎo)向軸承進(jìn)行檢查,檢查前需將油放空并進(jìn)行徹底清洗,可通過內(nèi)窺鏡等手段對軸承進(jìn)行可見區(qū)域進(jìn)行徹底檢查,必要時可對導(dǎo)向軸承進(jìn)行解體檢查,確定軸承狀況。
四是根據(jù)廠家建議的軸承使用壽命,做好軸承更換的規(guī)劃并利用檢修機(jī)會進(jìn)行更換,確無更換機(jī)會的做好軸承運(yùn)行狀況的監(jiān)控。
五是完善導(dǎo)向軸承箱密封結(jié)構(gòu),做好防雨水、灰塵等侵入措施,特別是空預(yù)器進(jìn)行高壓水沖洗前需加強(qiáng)對軸承箱密封結(jié)構(gòu)的檢查。運(yùn)行中運(yùn)行及檢修人員需每日檢查軸承油位及油質(zhì)情況,對軸承箱潤滑油定期進(jìn)行取樣化驗,化驗周期不應(yīng)超過半年,發(fā)現(xiàn)油質(zhì)劣化時及時更換潤滑油,確保軸承良好的使用環(huán)境。
六是運(yùn)行中加強(qiáng)對空預(yù)器電流、軸承油溫、異聲等監(jiān)視,及早發(fā)現(xiàn)軸承異常情況并采取必要的措施,避免因軸承損壞造成空預(yù)器故障停運(yùn)。
七是實施空預(yù)器傳熱元件改造等可能改變空預(yù)器軸承載荷變化的技術(shù)改造前,提前聯(lián)系廠家做好設(shè)計校核,確保軸承滿足改造后使用條件,否則需對軸承進(jìn)行改造或更換。
在分析鍋爐空預(yù)器及其他轉(zhuǎn)動設(shè)備軸承失效的過程中,往往會碰到許多錯綜復(fù)雜的現(xiàn)象,各種試驗結(jié)果可能是互相矛盾或者主次不清,這就需要反復(fù)試驗、論證,只有運(yùn)用正確的分析方法、程序、步驟,才能找到失效的真正原因,本文中失效分析的對象為空預(yù)器導(dǎo)向軸承,該分析方法同樣適用于空預(yù)器支承軸承的失效分析。但失效分析是事后分析,更為重要的是提前做好防止軸承失效的預(yù)防措施,電廠回轉(zhuǎn)式空預(yù)器為鍋爐的重要輔機(jī),若發(fā)生故障可能導(dǎo)致機(jī)組減負(fù)荷甚至非計劃停役,通過加強(qiáng)對空預(yù)器的運(yùn)行監(jiān)視和檢修維護(hù),可以減少空預(yù)器導(dǎo)向及支承軸承故障頻率,提高空預(yù)器運(yùn)行的可靠性,進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。