ZGM123G型磨煤機拉桿斷裂技術分析

(淮南電力檢修有限責任公司，淮南 232001)

0 引 言

平圩發電三期2X1000 MW超超臨界燃煤發電機組，于2014年底正式投入商業運營，每臺機組采用5臺磨運行，1臺磨備用。配套北京電力設備總廠生產的的ZGM123G型中速輥式磨煤機，燃用設計煤種淮南煤(原煤粒度<30 mm)。液壓變加載系統作為ZGM123G型中速磨煤機的重要組成部分，由高壓油泵站、油管路、蓄能器、加載油缸、拉桿等部件組成。拉桿作為傳力連接部件，為磨輥提供碾磨壓力。自商業運營以來累計斷裂19根拉桿，2018年和2019年加載拉桿斷裂最為頻煩，直接影響機組負荷，經濟效益受損，搶修工作量增加。因此，在日常維護過程中拉桿巡視作為重要定點檢查部件。希望通過對磨煤機加載拉桿斷裂進行技術原因分析，掌握其疲勞裂紋有效預防的措施，技術上創新改進，降低應力集中區，緩解裂紋形成，減少疲勞斷裂，延長拉桿使用周期。

1 設備簡介

1.1 拉桿結構和布局

加載拉桿由液壓缸下拉桿、中間連接桿、上拉桿、球面調心軸套、測量標尺、行程開關裝置、密封組件并通過兩套連接卡套將其組裝并圍繞磨煤機做圓形120度三角等分，且每個液壓缸都獨立連接拉桿平行地工作，拉桿另一端拉動三角剛性加載架。

1.2 加載拉桿工作原理

變加載系統運行時，碾磨力是可調的，可在不同工況條件下通過液壓缸帶動拉桿對三角剛性加載架進行向下施壓，可快速實現調節到相應的最佳碾磨力。當煤質發生變化或者負荷快速變化是，碾磨力可通過拉桿快速調節，這樣加載磨煤機有更好的運行條件，并且隨著煤質的改變，能夠進行快速的調整。在磨煤機運行過程中，由于煤中含有的三塊或者大鐵件導致系統超壓，可快速通過拉桿傳遞多余壓力儲存在蓄能器中，系統壓力低時在通過拉桿進行壓力釋放返回系統中，蓄能器起到吸收由意外負荷造成的壓力沖擊。

1.3 運行狀況

平圩發電三期機組自商業運營至今，累計發生19次磨煤機加載拉桿變徑出斷裂(如圖2所示)，直接影響磨煤機的穩定運行，導致鍋爐的燃燒工況發生變化易造成燃燒不穩定，甚至機組降負荷，也給我們檢修人員的安全和健康產生極大威脅，需要消耗大量的時間和人力進入在50度左右的磨煤機內部和頂部殼體進行搶修斷裂的拉桿組件。

2 加載拉桿斷裂原因分析

2.1 材質進行靜應力試驗分析

根據拉桿斷裂斷口分析，斷裂處均是連接卡套的變徑退刀處。首先考慮拉桿設計強度是否滿足實際需要。拉桿經靜應力結構分析：

拉桿材料為42CrMo,桿端直徑200 mm，抗拉強度極限σb≥685 MPa。假設拉桿只受靜載拉力作用，約10%的發生斷裂的拉桿斷裂在固定細頸處，斷裂性質有疲勞斷裂及材質缺陷斷裂。

拉桿材料：42CrMo經調質處理，材料力學性能σb=1 080 MPa，σS=930 MPa

拉桿校核計算:

單根拉桿拉力F=250×1 000×9.8/4=612 500 N

h=0.866×8=6.93，d1=d-2×5 h/8=0.089 7-0.069 3/8=0.081 0

(1)螺紋擠壓強度

σc=4(F/8)/(π(d2-d12))=4(612 500/8)/(3.141 5(0.089 72-0.081 0))

=65.6 MPa<σS=930 MPa

(2)螺紋剪切強度

τ=(F/8)/π/d1sβ=(612 500/8)/(3.141 5×0.08 10×0.008×0.81)

=46.4 MPa<σS=930 MPa

(3)螺紋彎曲強度

σb=Mb/Wb=3((F/8)(d-d1))/(2πd1(βs)2)

=3((612 500/8)(0.089 7-0.081 0))/(2*3.141 5*0.081 0(0.81×0.00 8)*)

=93.5 MPa<σS=930 MPa

(4)細頸抗拉強度

σt=4F/(πd2)=4×612 500/(3.141 5*0.057 3=240 MPa<σS=930 MPa

由以上分析及計算校核可知：拉桿所受靜應力包括擠壓、剪切、彎曲、拉伸等項，均遠小于拉桿材料的屈服極限σb，因此可以認定，拉桿斷裂基本不屬于靜載斷裂。

2.2 金屬光譜檢測分析

金屬科人員對拉桿光滑斷面的分析檢測并出示檢測報告說明拉桿符合疲勞斷裂，因為斷口符合疲勞特征:

(1)拉桿斷裂時并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預兆，而是突然破壞；

(2)引起疲勞破壞斷裂的應力很低，常常低于材料的屈服點；

(3)疲勞破壞的宏觀斷口有兩部分組成，即疲勞裂紋顯現區機擴展區(光滑部分)和最后斷裂區(粗糙部分)。斷面邊緣有較淺傷痕裂紋，斷口粗糙。

(4)分析拉桿當出現裂紋后，構件就發生斷裂，說明構件在交變應力作用下處于強度極限狀態下，稍有振動沖擊即發生斷裂現象。

(5)結論認定絕大多數我廠所發生的拉桿斷裂都屬于疲勞斷裂。

2.3 磨輥壓中心架偏移造成拉桿斷裂分析

在實際磨煤機周期性解體大修中，存在磨輥找正后不能夠真正使磨輥中心對中。分析原因：三角架回裝后的理想位置，此時a=b，但由于回裝時的誤差使得三腳架的實際位置偏移理想位置Δα角度，可以看出，三角架時一個等邊三角形，因此3個磨輥的對中情況不會發生改變。當磨輥找正偏差在標準范圍內，且工作面積非工作面間隙均符合技術要求時，任然會出現三角架偏斜情況，但是按照技術要求時，拉桿同樣存在偏斜情況，但運行中偏磨比較嚴重。

2.4 運行中振動幅度大造成蓄能器緩沖偏弱分析

由于蓄能器設置及運行的局限性，蓄能器的剛度:一是隨工作壓力的變化而變化;二是儲存壓力受磨煤機低負荷時最低壓力的限制不能太高。因此吸收研磨區振動的能力和彈簧液壓變加載方式相差甚遠，表現在:磨制煙煤及雜質多的煤質，運行穩定性較差，表現出來的是拉桿上下竄動量較大，同時拉桿徑向移動明顯。長期運行拉桿易疲勞斷裂。

2.5 導向板推力面間隙過大分析

當導向板推力面由最初始0 mm～6 mm間隙正常運行。經長期運行推力上下摩擦，間隙超過6 mm拉桿偏移大且檢修不及時調整增加墊片消除。拉桿在運行過程中大幅度晃動，破壞關節軸套使其受力不均，造成拉桿變徑處疲勞損傷。同時也對密封系統損壞嚴重，由于大量石子煤及鐵塊的堆積容易使關節軸套承嚴重磨損從而讓煤渣更輕易地進入到拉桿密封風室內;密封風管內存有的煤渣一定要用密封風吹一遍，否則拉桿密封也會很快損壞。造成拉桿漏煤顆粒。

3 加載拉桿斷裂采取的方法

3.1 改進拉桿變徑尺寸

對拉桿變徑處進行改型由原來的直接改成60度斜坡倒角增加粗度。減小應力集中。經過對拉桿構件分析外形的影響例如:構件上有槽、孔、缺口、軸肩等，將引起應力集中明顯。容易把應力集中的局部區域形成疲勞裂紋，使構件的持久極限顯著降低。構件尺寸的影響也至關重要，提高變徑尺寸，減少疲勞裂紋的機會。一般情況下，構件的最大應力發生在表層，因此疲勞裂紋也在多余表層生成。表面加工的刀痕、擦傷等將引起應力集中，降低持久極限。因此可以對拉桿加工面進行精加工，使其消除刀痕、擦傷造成的裂紋。

3.2 改進拉桿密封，減少雜物磨損拉桿面

拆除密封風管下部的密封裝置，安裝新設計加工的密封裝置，即通過在原拉桿密封上部加裝一套密封，此密封由下密封和上密封組成，上密封固定在拉桿上，下 密封處在自由狀態下。由于下密封依靠彈力緊貼在密封腔殼體.上。此套密封組可以確保大塊雜質無法進入密封塊與拉桿之間，而密封空氣又可以將細小粉煤吹除，從而阻止雜物進入密封塊與拉桿之間，確保拉桿安全運行。檢修工藝力求精益求精在拉桿密封的檢修上，換拉桿密封只是暫時的處理辦法，要想徹底解決漏煤渣問題，一定要全面檢查。

3.3 對三角壓架進行找中心定位，降低偏移量

壓架為等邊三角形結構，其上裝有導向塊。液壓加載系壓架上設有導向定位結構，以便于工作時定位和傳遞切向力。中心的確定可以更好的消除運行中偏移值。導向塊處間隙的調整應以三根拉桿軸線對正基礎上拉桿臺板中心為準。方可進行墊片調整。

3.4 增強密封風的入口風壓

密封風壓不足也是造成拉桿磨損斷裂的的原因之一：由于制粉系統為正壓直吹式，磨煤機設備的密閉性就顯得尤為重要，尤其在轉動部位,這就必須在檢修過程中精益求精對一些影響設備密閉性的數據嚴格測量，不可粗心大意。比如壓架的導向板間隙，底座密封的密封風間隙等等。

3.5 導向板間隙調整

導向板間隙調整，技術文件規定推力側理論值是0 mm，非推力側3～5 mm。但實際運行工作中并無法調整理想。三角壓架偏差值持續存在，消除不掉。推力側不能保證3面為0 mm。因為壓架和磨輥找正的技術要求約束導向板的調整。每次調整導向板推力面間隙都會考慮到磨輥中心位置的改變，實際中會根據磨輥磨損程度來調整壓架。通過壓架中心位置調整非推力增加墊片補償運行中壓架偏移情況。推力面的磨損可通過測量值來判斷是否調整墊片還是換新。

3.6 改善原煤煤質，減少不必要的高頻率振動

在保證原煤發熱量的條件下煤種的配比一定要準確，石子煤和鐵塊不可太多，否則造成磨煤機劇烈振動且對磨煤機各部件的壽命影響也非常大。原煤中的鐵塊是通過輸煤皮帶上的除鐵器篩選的，這種運行方式導致給鍋爐制粉系統上煤的過程中除鐵效率不高，大量鐵塊進入磨煤機,引起拉桿密封室的堵塞和磨輥卡住等一系列現象。建議燃運部應采用兩臺高磁性除鐵器串聯，同時運行的方式，才能有效降低進入磨煤機的鐵塊數量。避免高頻率的振動產生，有利于拉桿的使用壽命延長。

3.7 制作定檢項目

把加載拉桿的檢測及導向板間隙調整作為項目關鍵點，可設定間隙調整周期為3個月。在設備定期預防性檢查工作中體現出周期性間隙調整記錄。把原始間隙、調整后的間隙詳細記載，方便日常數據查看，有利于對拉桿的定向觀察，預防疲勞斷裂風險發生。

4 結束語

分析了解ZGM123G型磨煤機加載拉桿在正常運行過程中導向裝置的磨損間隙超出規定值時，導向板間隙行程過大，拉桿上下運行就容易產生較大的晃動、跳動現象。加載拉桿長期在剪切力，彎矩力及拉伸力的聯合作用下疲勞工作，形成裂紋造成拉桿頻繁斷裂。通過對拉桿的結構介紹、維護導向板間隙調整、改進拉桿變徑過渡，減小應力集中區域。最終確保磨煤機加載拉桿能夠穩定長周期運行，提高拉桿使用期限。