電站鍋爐電動機軸承座斷裂失效分析

陳健波

安徽省特種設備檢測院 安徽合肥 230031

1 序言

受安徽某化工企業自備發電廠的委托，對該公司發生斷裂的2號電站鍋爐乙側磨煤機電動機軸承座進行失效分析。送檢的軸承座位于磨煤機一側小齒輪承力端，于2015年安裝投用，2020年8月發現裂紋，軸承座材質為灰鑄鐵，牌號HT250。為找出開裂的原因并提出解決措施，對軸承座斷裂部位進行失效分析。

2 宏觀檢查

圖1所示為磨煤機電動機軸承座的斷面宏觀形貌。由圖1a～c可知，承載地腳螺栓的支耳斷裂脫落，斷裂面位于支耳與軸承座本體相交的位置。支耳斷裂區域無明顯塑性變形（見圖1d），呈典型脆性斷裂特征。

圖1 軸承座斷裂位置及斷面宏觀形貌

3 金相檢測

在軸承座支耳本體和支耳斷面上分別切取金相試樣，試樣經磨制拋光后，使用2%硝酸酒精溶液腐蝕，將腐蝕好的試樣在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察試樣的金相組織。

圖2所示為軸承座支耳本體遠離斷面的金相組織，支耳本體組織為鐵素體+珠光體+片狀石墨，石墨呈無方向性分布，珠光體含量約80%。

圖2 軸承座遠離斷面處金相組織

圖3所示為軸承座斷面處的金相組織，斷面處組織為鐵素體+珠光體+片狀石墨，石墨無方向性分布，珠光體含量約85%。

圖3 軸承座斷面處金相組織

4 硬度檢測

利用B H3000型臺式布氏硬度計，187.5k g f（1837.5N）載荷，20s加載時間，在金相試樣表面進行布氏硬度檢測，結果見表1。從表1可看出，軸承座的硬度不符合標準要求。

表1 軸承座硬度檢驗結果

5 室溫拉伸試驗

在斷裂支耳上按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》要求截取拉伸試樣，在UTM5105型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，結果見表2。從表2可看出，斷裂軸承座的抗拉強度、屈服強度偏低，不符合標準要求。整個拉伸過程持續時間較短，約4s即出現斷裂，沒有屈服臺階，無塑性變形[1，2]。

表2 軸承座室溫拉伸試驗結果

6 室溫沖擊試驗

按照GB/T 229—2007標準要求在斷裂支耳上截取標準尺寸沖擊試樣（55mm×10mm×10mm），采用V型缺口和不開缺口兩種試樣，在PTM2200型擺錘式沖擊試驗機上進行沖擊試驗，結果見表3。結果顯示：不帶缺口的沖擊吸收能量與帶有缺口的沖擊吸收能量數值均較低，且二者幾無差別。開制缺口與否對沖擊吸收能量數值的影響極小，材料本身的沖擊韌度較低，沖擊斷口無塑性變形，為典型脆性材料。

表3 軸承座室溫沖擊試驗結果

7 試驗分析與結論

軸承座斷裂于承載地腳螺栓的支耳和軸承座本體相交的位置，此處截面突變，為應力集中部位。在機組運行過程中，隨著磨煤機電動機大軸的起停和轉動，軸承座承受交變和往復載荷、振動載荷等。此外，斷裂軸承座所屬發電機組還承擔一定的調峰任務，起停相對頻繁，受外部載荷影響更大，裂紋易在應力集中處萌生。

GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》規定[3]，力學性能和金相組織是鑄鐵件驗收的主要指標，但標準對各牌號鑄鐵件的金相組織沒有明確限定，對其化學成分也沒有限定，需要買賣雙方協商或遵從制造方的技術規定。在沒有明確規定的情況下，力學性能就成了鑄件驗收的唯一判據[4，5]。從力學性能試驗來看，軸承座的硬度、抗拉強度、屈服強度等遠低于標準要求，拉伸斷裂在極短的時間內出現，拉伸試驗過程中無塑性變形。此外，軸承座的沖擊性能很低，缺口對材料沖擊韌度的影響可以忽略，表明材料的脆性較大。

由于電動機軸承座運行中受交變、往復、振動等外部載荷影響大，且其硬度、強度、沖擊韌度等力學性能較低，裂紋易在應力集中部位萌生、擴展并最終導致斷裂發生。

綜合所述，磨煤機電動機軸承座發生斷裂的原因是：軸承座材料強度、沖擊韌度等力學性能較低，在交變和往復外部載荷長期作用下，裂紋在支耳與軸承座本體相交處這一應力集中部位萌生、擴展并最終導致斷裂發生。

8 解決措施

為防止類似問題的發生，可采取以下措施。

1）加強電動機軸承座采購管理，明確軸承座材料的化學成分、力學性能，選擇質量信得過的制造商，從源頭保障軸承座的性能。

2）加強軸承座發貨前檢驗和入廠驗收。

3）相較于灰鑄鐵而言，球墨鑄鐵具有更高的強度和抗沖擊性能，在條件允許的情況下，可選用球墨鑄鐵代替灰鑄鐵。