超超臨界機(jī)組引風(fēng)機(jī)芯軸斷裂分析

張英偉

(內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010206)

1 概況

某電廠10號機(jī)組為660 MW超超臨界機(jī)組，引風(fēng)機(jī)為HU27054-221型雙級動葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)。它主要由進(jìn)氣室、集流器、兩級葉輪、葉片、擴(kuò)壓器、動葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成，其基本工作原理為：由系統(tǒng)管道流入風(fēng)機(jī)的氣流經(jīng)進(jìn)氣箱改變方向，經(jīng)集流器收斂加速流向葉輪，電動機(jī)帶動葉輪葉片對氣流作功，葉片的工作角度與葉柵距可無級調(diào)節(jié)，由此改變風(fēng)量、風(fēng)壓，滿足工況變化需求。流經(jīng)葉輪后的氣流為螺旋運(yùn)動，經(jīng)后導(dǎo)葉轉(zhuǎn)為軸向流入擴(kuò)壓器，在擴(kuò)壓器內(nèi)氣體的部分動能轉(zhuǎn)化成靜壓能，再流至系統(tǒng)滿足運(yùn)行要求，從而完成風(fēng)機(jī)出力的工作過程。該機(jī)組在運(yùn)行約3萬h后，引風(fēng)機(jī)芯軸斷裂，斷裂位置為芯軸端部變徑部位即軸肩處，斷面垂直于芯軸軸向，小徑尺寸為φ55 mm，大徑尺寸為φ80 mm，芯軸設(shè)計材質(zhì)為42CrMo。為探明芯軸斷裂原因，避免類似事故發(fā)生，對斷裂芯軸進(jìn)行了理化檢驗及失效分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌分析

芯軸斷裂的宏觀形貌如圖1所示，斷裂部位位于該芯軸退刀槽變截面處。斷面平行于芯軸旋轉(zhuǎn)方向，與芯軸軸向垂直，此處受旋轉(zhuǎn)應(yīng)力作用在變截面處存在一定的應(yīng)力集中。

圖1 芯軸斷口形貌

芯軸斷口大部光滑平整，無明顯的塑性變形，呈典型的疲勞脆性斷裂特征，由疲勞源、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。疲勞源區(qū)有多個凹坑，說明有多個疲勞源，為多源疲勞開裂；疲勞擴(kuò)展區(qū)有較明顯的不同取向的貝殼狀花樣，貝殼樣花紋比較扁平，斷口上有高低不同的疲勞擴(kuò)展臺階，這是疲勞裂紋在不同平面上擴(kuò)展相遇所致。貝殼花紋有一定扭轉(zhuǎn)角度，說明芯軸承受扭轉(zhuǎn)載荷，斷口上疲勞擴(kuò)展區(qū)所占面積較大約3/5；瞬斷區(qū)位于裂紋源區(qū)對面，斷口高低不平，有較大塑性變形，為旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力下撕裂形貌，瞬斷區(qū)域占比較小，約占整個斷口表面的1/5左右。綜合以上斷口特點(diǎn)及各區(qū)所占比例，說明芯軸承受的循環(huán)載荷不大[1-2]，此斷口形貌符合試樣尖缺口低載荷旋轉(zhuǎn)彎曲的斷口特征[3]。

觀察斷裂芯軸的退刀槽部位宏觀形貌可見，退刀槽部位過渡較為粗糙，存在明顯的加工刀痕，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中進(jìn)而在交變載荷作用下萌生早期微裂紋，進(jìn)而最終導(dǎo)致芯軸斷裂。

2.2 材質(zhì)分析

從引風(fēng)機(jī)芯軸桿部以及斷口附近取樣，通過牛津FOUNDRY MASTERPRO型全譜直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗結(jié)果如表1所示，其主要元素含量符合JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》的要求。

表1 芯軸光譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位：%

2.3 顯微組織分析

從芯軸斷口附近部位取橫截面金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后采用體積分?jǐn)?shù)為4 %的硝酸酒精溶液腐蝕，采用ZEISS蔡司光學(xué)顯微鏡對引風(fēng)機(jī)芯軸表面和心部的顯微組織進(jìn)行觀察可見，其形貌變化不大。其金相組織為鐵素體機(jī)體上分布著細(xì)小均勻碳化物顆粒的復(fù)合組織，具有明顯的回火索氏體特征；金相組織正常，表明此芯軸的熱處理狀態(tài)沒有異常。

從芯軸斷口取縱截面金相試樣進(jìn)行分析，其組織與橫向組織基本一致，呈典型的回火索氏體特征，金相組織正常。

2.4 夾雜物分析

在芯軸斷口附近取縱向試樣，經(jīng)磨制、拋光后，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。芯軸機(jī)體中所包含的夾雜物大致可以分成兩類：一種為黑色的不規(guī)則的橢圓狀顆粒，形態(tài)較小(＜3 μm)，沒有變形，排列成一排，整體呈帶狀；另一種為黑色圓形狀，形態(tài)較小(＜3 μm)，沒有形變，在整個顯微鏡視野下分布比較彌散。根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》中對夾雜物的分類，其夾雜物評級如表2所示，B類細(xì)系2級及D類細(xì)系1級，參照YB/T 5137—2007《高壓用熱軋和鍛制無縫鋼管圓管坯》對非金屬夾雜物的要求，芯軸的夾雜物符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 芯軸夾雜物分析結(jié)果 單位：μm

2.5 硬度分析

硬度試驗可以檢測出管道表面的軟硬程度、耐磨性、抵抗塑性變形的能力。硬度在一定程度上反映出材料的抗拉強(qiáng)度，是材料本身性能的一項重要的指標(biāo)，同時也可以反映出材料的熱處理狀態(tài)。對芯軸取橫截面試樣，采用SHB-3000E型布氏硬度計對試樣進(jìn)行硬度測試，測試平均值為259HB，低于JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》中對42CrMo鍛件材質(zhì)硬度要求，但符合芯軸說明書上要求，具體試驗結(jié)果見表3。

表3 硬度試驗數(shù)據(jù) 單位：HB

2.6 力學(xué)性能試驗

材料力學(xué)性能是保證材料最終使用性能(機(jī)械性能)的重要指標(biāo)，其中材料的拉伸試驗是材料機(jī)械性能試驗的基本方法之一，可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減率、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)及其他拉伸性能指標(biāo)，是判斷材料是否符合設(shè)計性能的主要方法。本次試驗在斷裂芯軸軸向的兩端及中間三個不同部位上取樣進(jìn)行室溫拉伸力學(xué)性能試驗，具體檢驗結(jié)果如表4所示。

表4 試樣力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)(試驗溫度20 ℃)

由表4可以看出發(fā)生斷裂芯軸的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率未出現(xiàn)降低情況，均符合JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 綜合分析

從該芯軸的產(chǎn)品說明書可知，芯軸的材質(zhì)為42CrMo，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)狀態(tài)，其金相組織應(yīng)為回火索氏體，硬度為235～285 HB。綜合上述檢驗情況，該芯軸的化學(xué)成分、金相組織、夾雜物級別以及力學(xué)性能符合JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》，只是硬度低于該標(biāo)準(zhǔn)要求下限，但符合芯軸說明書硬度要求。

引風(fēng)機(jī)芯軸斷裂位置位于退刀槽變截面處，斷口呈現(xiàn)出典型的旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力作用下的疲勞斷口特征。查閱引風(fēng)機(jī)設(shè)計圖紙，發(fā)現(xiàn)斷裂部位變截面處，截面突變明顯，過渡圓角半徑僅為1 mm，過渡圓角太小，也增加了變截面處的應(yīng)力集中系數(shù)，同時該處存在加工刀痕，往往容易成為裂紋源，此分析也與文獻(xiàn)[4-5]一致。

此次芯軸斷裂推斷是由于變截面處過渡部位較為粗糙，可見明顯的加工刀痕，且變截面處過渡圓角較小，造成應(yīng)力集中，芯軸在長期旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力作用疲勞開裂。彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生，可能是因為引風(fēng)機(jī)安裝過程中，配合不當(dāng)，導(dǎo)致推力盤的重量及動載荷轉(zhuǎn)移至芯軸退刀槽處，在長期運(yùn)行振動中，芯軸退刀槽處反復(fù)承受循環(huán)應(yīng)力，在動載的持續(xù)作用下，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞微裂紋，并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致芯軸疲勞斷裂。

4 結(jié)論

引風(fēng)機(jī)芯軸斷口形貌為典型的旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力作用下的疲勞斷口特征。發(fā)生斷裂主要原因是退刀槽變截面部位可見明顯加工刀痕，且變截面處過渡圓角較小，產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中，變截面處在扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變應(yīng)力作用下裂紋萌生、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。此次風(fēng)機(jī)芯軸斷裂試驗分析為類似事件的處理提供了參考。