電廠排粉機電機大軸斷裂原因分析

李艷軍，牛保獻

（河南恩湃高科集團有限公司，鄭州 450052）

電廠排粉機電機大軸斷裂原因分析

李艷軍，牛保獻

（河南恩湃高科集團有限公司，鄭州 450052）

某發(fā)電公司＃9鍋爐＃1排粉機電機大軸發(fā)生斷裂，綜合外觀檢查和各項試驗結果，認為排粉機電機大軸變截面處因過熱而產(chǎn)生性能差的魏氏組織，在大軸運轉(zhuǎn)時的應力集中作用下沿變截面產(chǎn)生裂紋，形成裂源點，裂紋逐漸擴展，最終產(chǎn)生斷裂。

排粉機；電機；大軸；斷裂；原因分析

1 電機概況

2014年2月8日，河南省某發(fā)電公司＃9鍋爐＃1排粉機電機大軸發(fā)生斷裂，其排粉機電機為哈爾濱電機有限責任公司制造，型號，YKK4503-4；功率，630 kW；電壓，6 000 V；轉(zhuǎn)速，1 450 r/min；制造時間，1995年6月。發(fā)生斷裂的電機大軸材料為45鋼，斷裂部位截面直徑為120mm。

2 現(xiàn)場檢查及試驗分析

2.1 宏觀檢測

大軸的斷裂部位位于電機前端軸承與對輪連接處，處于大軸的鍵槽附近的變截面，如圖1所示，此處是大軸在運轉(zhuǎn)過程中的應力集中區(qū)域。

圖1 大軸斷裂形貌

從整個斷面來看，斷口大致可分為裂紋源區(qū)（A區(qū)）、疲勞擴展區(qū)（B區(qū)）和瞬間斷裂區(qū)（C區(qū)）3個區(qū)域［1］，如圖2所示，斷裂特征各不相同。A區(qū)色澤褐紅，有1層氧化物，具有明顯的斷后腐蝕痕跡，該區(qū)呈現(xiàn)長期腐蝕環(huán)境和旋轉(zhuǎn)彎曲交變應力共同作用下的斷裂特征；B區(qū)有許多明顯的宏觀疲勞條帶，據(jù)此可判斷出裂紋擴展方向；C區(qū)占整個斷口比例較小，說明工件正常運行過程中所受的應力水平并不高。

使用GL-99TI體式顯微鏡對葉片的斷口進行觀察，裂紋源點只有1個，整個斷裂面都是由裂紋源點發(fā)展而來，斷裂屬于疲勞斷裂，斷裂面大部分較為平坦。裂紋源點距鍵槽約40mm，長約4mm，寬約1mm，裂源處斷面呈顆粒狀，如圖3所示。

圖2 斷口形貌

圖3 裂紋源點形貌

2.2 光譜檢測

使用Niton XL3T800合金分析儀對電機大軸的合金材質(zhì)進行檢測，所檢測元素均與GB/T 699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼》要求相符，結果見表1。

2.3 微觀檢驗

在斷裂處沿裂紋源部位的橫截面上進行金相檢查，如圖4所示，心部組織為鐵素體+珠光體，表面有很薄1層因過熱產(chǎn)生的魏氏組織，厚1～2mm，有1～2mm厚的熱影響區(qū)組織，如圖5、圖6所示。在距斷裂面約5mm范圍內(nèi)表面有多條小裂紋，如圖7所示，這些小裂紋的裂紋源都在表面魏氏組織處，可見本次大軸的斷裂與魏氏組織有著密切的關系。從檢驗結果看，電機大軸采用了正火熱處理方式，表面的魏氏組織是在加熱時過熱造成的。

表1 斷裂大軸光譜檢測結果 %

圖4 心部金相組織

圖5 表面受熱區(qū)域侵蝕后的形貌

圖6 表層魏氏組織形貌

2.4 硬度檢驗

對電機大軸的表面過熱區(qū)域（區(qū)域1），正火狀態(tài)近表面區(qū)域（區(qū)域2）及正火狀態(tài)內(nèi)部區(qū)域（區(qū)域3）各選7個位置，各區(qū)域檢測位置見圖5中虛線所示。使用HV-1 000 A顯微硬度計進行硬度檢驗，檢測結果見表2。按GB/T 699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼》規(guī)定，45鋼材料經(jīng)正火熱處理硬度范圍為≤197HB，根據(jù)表2可知，斷裂大軸的正火態(tài)內(nèi)部區(qū)域硬度符合標準，表面過熱區(qū)部分硬度高于標準。

圖7 表面裂紋形貌

表2 各區(qū)域硬度檢測結果 HB

3 原因分析

從斷口形貌看，斷裂的類型屬于疲勞斷裂，因斷裂擴展區(qū)面積遠大于瞬時斷裂區(qū)面積，斷裂屬于低應力狀態(tài)下的高周疲勞。裂紋源位于大軸變截面的凹槽處即應力集中區(qū)，此區(qū)域是電機大軸斷裂失效的常見位置［2-3］。大軸的材質(zhì)及內(nèi)部正火區(qū)硬度都符合相關標準要求，但大軸外表面及近表面正火區(qū)均不符合標準要求，特別是外表面相變區(qū)硬度遠高于標準要求。大軸變截面凹槽處外表面組織為魏氏組織，魏氏組織是材料在表面加熱時溫度超過材料相變點溫度（45鋼相變點溫度為721℃）后冷卻下來所形成［4］，組織性能差，脆性大。裂紋源正是處于表面魏氏組織區(qū)域，與魏氏組織有著密切關系。

綜上，大軸變截面表面存在性能較差的魏氏組織，在應力集中作用下形成了產(chǎn)生裂紋源，在大軸運轉(zhuǎn)時裂紋不斷擴展最終導致斷裂。

4 結論及建議

造成＃9鍋爐＃1排粉機電機大軸斷裂的原因為大軸變截面處在表面受熱或熱處理時，因過熱而產(chǎn)生性能差的魏氏組織，在大軸運轉(zhuǎn)時的應力集中作用下沿變截面形成裂紋源點，裂紋逐漸擴展，最終產(chǎn)生斷裂。建議對其他有類似情況的排粉機電機大軸進行檢查，另外在對大軸進行熱處理時，可參考相關文獻［5］優(yōu)化工藝控制，避免過熱而產(chǎn)生魏氏組織。

［1］鐘群鵬，趙子華.斷口學［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］孫宇紅，李鐵虎.電機軸斷裂原因分析［J］.理化檢驗：物理分冊，2014（3）：216-218.

［3］張亞明，劉五鑄，張雷.磨煤機電機軸斷裂原因分析［J］.中國材料科技與設備，2013，9（3）：60-62.

［4］崔忠圻，覃耀春.金屬學及熱處理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［5］胡進.45鋼魏氏組織高溫實時形成研究及工藝控制［J］.特鋼技術，2012，18（4）：29-32.

（本文責編：劉炳鋒）

TG 142.1

B

1674-1951（2016）11-0038-02

李艷軍（1983—），男，河南濮陽人，助理工程師，工學碩士，從事電力系統(tǒng)金屬技術監(jiān)督、失效分析、理化檢測方面的工作（E-mail：liyanjun1202＠163.com）。

2016-04-07；

2016-09-03