發電廠鍋爐引風機葉柄斷裂原因分析

徐衛仙，王 杰，喬立捷

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

發電廠鍋爐引風機葉柄斷裂原因分析

徐衛仙，王 杰，喬立捷

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

本文采用金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對引風機葉柄斷裂原因進行了分析。葉柄斷裂位置螺紋根部可見明顯的加工刀痕，在尖銳處存在應力的最大值，引起應力集中。在拉應力、彎曲及扭轉應力作用下，可能導致裂紋的萌生。另外，風機在運行過程中振動疲勞與旋轉彎曲疲勞聯合作用，亦將引起葉柄斷裂的擴展，導致葉柄最終斷裂。

引風機；葉柄；疲勞；斷裂

0 引言

某電廠#2機組引風機為雙級動葉可調軸流式，型號SAF30.5-17-2，配置引風機2臺。風機旋轉方向：從電機側向風機側看，風機葉輪為逆時針旋轉。

#2機組引風機投產時間為2014年5月27日，2015年03月23日04時51分，#2機組負荷435MW，A引風機X振動7.03mm/s，Y振動3.57mm/s，爐膛壓力-60～50Pa，機組其余各參數均正常。2015年03月23日04時52分，A引風機振動X由7.03mm/s突然漲到19.9mm/s，Y由 3.57mm/s突然漲至19.9mm/s。現場檢查#2機A引風機一級葉輪有一片葉片飛出，距A引風機12m左右；同時引風機上蓋有明顯損傷；對A引風機揭蓋后，發現一級葉輪其中一片葉片的葉柄斷裂，一級葉輪的其余葉片均已受損，二級葉輪的葉片均不同程度受損，風機基礎呈現裂紋，地腳螺栓松動、斷裂。

本文將對葉柄斷裂的原因進行分析，查明葉片的葉柄軸斷裂原因，防止類似事故再次發生。

1 試樣和試驗方法

1.1 實驗材料

試樣由該電廠提供，葉柄材質為42CrMo-5，供貨狀態為調質處理，其化學成分均符合GB/T 3077-1999標準的要求。實驗前將試樣用丙酮清洗。

1.2 實驗方法

對試樣進行化學成分分析，利用Leica DMI 5000M型金相顯微鏡分析試樣的金相組織，并用Tescon VEGA 3 LMU型掃描電子顯微鏡及Oxford X-act型能譜儀觀察試樣斷口的微觀形貌及能譜分析。

2 實驗結果與分析

2.1 化學成分分析

42CrMo-5的化學成分見表1。

表1 葉柄化學成分分析結果

2.2 宏觀檢查

圖1所示為送檢樣品的斷裂位置示意圖。斷面位置為葉柄與輪轂連接螺紋起始部位（第一與第二絲扣的絲底），斷面邊緣沿整圈絲扣的絲底分布，斷面垂直于葉柄軸，斷口整體平齊，未發生明顯塑性變形，整體呈現脆性斷裂，為典型疲勞斷裂特征，且應力水平較低。

圖1斷裂位置示意圖

圖2 所示為斷口宏觀形貌，由圖2可知，斷口由軸近表面的A位置處起源，在較低的拉、旋轉、彎曲交變應力作用下，裂紋以較慢的速度擴展[1]，即圖2的B區域。在該區域可以清晰看到海灘條狀貝紋線及裂紋擴展區[2]，同時呈現脆性斷口特征，斷口邊緣看到約45度角臺階。裂紋擴展至軸半徑的1/2處后，擴展加速，在C處能觀察到清晰的疲勞弧線，疲勞弧線的圓心指向最后斷裂區。隨著擴展繼續進行，葉柄軸有效截面不斷減小，最終形成瞬斷區（圖2的D區域），瞬斷區域呈放射狀并反指向裂紋，具備一定塑性特征。另外，在斷口邊緣處還發現兩處扭轉斷裂的形貌特征，即圖2的E、F區域。從紋路擴展情況可以判斷在E、F兩個區域的邊緣處，也有裂紋源。葉柄正是在受拉、彎曲、扭轉[3]等共同作用下，在主裂紋源A處、次裂紋源E、F處產生裂紋并擴展，并最終至葉柄軸斷裂。

圖2中位置D區域（瞬斷區）撕裂最嚴重。將斷口D區域沿縱向切開，可以看到在位置D左側所對應的切口側面，有位于橫截面方向擴展的裂紋（如圖3所示）。由于在主斷面疲勞斷裂的最后階段，有效承載面積減小，局部應力增加，產生了次生裂紋[4]。

2.3 金相組織檢驗

在葉柄螺紋根部、螺紋頂部、葉柄橫截面心部分別進行了金相組織檢驗，結果如圖4所示。

圖2 斷口橫截面形貌

圖3 D區域縱斷面的次生裂紋

圖4 葉柄金相組織

由圖4可知，在螺紋根部、螺紋頂部、葉柄橫截面心部的金相組織均為細小的回火索氏體，金相組織未發現異常。同時看到心部組織略顯粗大，可能由于軸尺寸較大，心部未淬透所致。

2.4 硬度試驗

采用HBE-3000A型電子布氏硬度計對試樣進行布氏硬度測試，結果見表2。由表2可知，葉柄材質硬度值符合設計要求。

表2 葉柄材質硬度值

2.5 微觀形貌分析

從宏觀斷口分析可知，主裂紋起源于葉柄一側螺紋根部，為了進一步分析及確認裂紋的形成過程和裂紋形態，在掃描電鏡上觀察斷口的微觀形貌。

圖5所示為圖2中A區域邊緣處（主裂紋源區）的微觀形貌。由圖5可知，在螺紋根部可見明顯的加工刀痕，加劇應力集中，在尖銳缺口處存在應力峰值。在拉應力、彎曲及扭轉應力作用下，可能優先產生裂紋（也就是裂紋源），裂紋在應力持續作用下擴展。圖5中螺紋根部存在一條與加工刀痕方向平行的裂紋，以及裂紋一側的微觀臺階，是在局部較大應力集中下裂紋擴展形成的。

圖5 主裂紋起源處斷口形貌

圖6 為裂紋擴展區的斷口形貌，表現為典型的解理斷裂，為調質組織中較常見的疲勞裂紋擴展區形態[5]。

圖7是快速擴展區斷口形貌，上面可見由于擴展速度過快形成的大量微裂紋，并且斷口形貌已表現出一定的塑性特征。

圖8是瞬斷區斷口形貌。解理斷裂和塑性斷裂的混合形貌。

圖9是圖2的E區域螺紋根部的形貌特征。圖中可以看出，在螺紋根部，有著明顯不規則的微裂紋。微裂紋位于擴展方向的起始處，斷面與葉柄橫截面平行，并且斷口宏觀形貌表現出撕裂狀，微觀形貌表明斷口有一定塑性。

圖6 裂紋擴展區斷口形貌

圖7 快速擴展區斷口形貌

圖8 瞬斷區斷口形貌

圖9 次裂紋源區螺紋根部的形貌

3 結語

（1）葉柄的化學成分、硬度、金相組織符合標準要求，葉柄斷裂與原材料質量無直接關聯。

（2）葉柄斷口整體平齊，未發生明顯塑性變形，整體呈現脆性斷裂，主裂紋擴展區存在明顯條狀貝紋線，為典型疲勞斷裂，且應力水平較低。

（3）葉柄斷裂原因為：葉柄斷裂處螺紋根部的加工刀痕，加劇應力集中，在尖銳處存在應力峰值，在拉應力、彎曲及扭轉應力作用下，優先產生裂紋，在不斷交變的外力作用下，裂紋擴展至葉柄斷裂。

[1]郭玲麗，楊剛.鼓風機轉子葉片斷口形貌分析[J].熱加工工藝，2014，43（5）：82~84.

[2]邱文萍，左陽春，葉芳.熱噴焊技術現場修復增壓風機葉輪的工藝研究[J].熱加工工藝，2014，43（5）：223~224.

[3]谷噸，康新亞，侯愛民.機械行業工業爐節能的思考[J].熱加工工藝，2010，118~121.

[4]靳峰，王曉晨，李世濤，等.600MW機組汽輪機低壓轉子葉片斷裂原因分析[J].熱加工工藝，2014，43（12）：226~229.

[5]李小泉，呂云飛，趙海新，等.42CrMo鋼曲軸斷裂失效分析[J].熱加工工藝，2014，43（2）：217，218.

Cause Analysis on Fracture on Blower Fan Petiole of Power Plant Boiler

XU Wei-xian，WANG Jie，QIAO Li-jie
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In order to find the reason of the blower fan petiole rupture in a power plant，optical microscope（OM），scanning electron microscope（SEM），energy dispersive spectrometer（EDS）were used.Machining marks found at the screw root may promote crack initiation under the effect of tensile stress，bending stress and torsion stress.Fan vibration during operation may cause vibration fatigue and rotating bending fatigue，which lead to crack propagation and the final rupture of the fan petiole.

blower fan；petiole；fatigue；rupture

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.013

TG111.91，TG111.8

B

2095-3429（2015）06-0045-03

2015-11-02

修回日期：2015-12-17

徐衛仙（1989-），女，江西上饒人，碩士，研究方向：金屬材料失效分析。