ZGM123G型磨煤機拉桿斷裂技術(shù)分析

(淮南電力檢修有限責(zé)任公司，淮南 232001)

0 引 言

平圩發(fā)電三期2X1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，于2014年底正式投入商業(yè)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(shè)備總廠生產(chǎn)的的ZGM123G型中速輥式磨煤機，燃用設(shè)計煤種淮南煤(原煤粒度<30 mm)。液壓變加載系統(tǒng)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(yè)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(fù)荷，經(jīng)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(shù)原因分析，掌握其疲勞裂紋有效預(yù)防的措施，技術(shù)上創(chuàng)新改進，降低應(yīng)力集中區(qū)，緩解裂紋形成，減少疲勞斷裂，延長拉桿使用周期。

1 設(shè)備簡介

1.1 拉桿結(jié)構(gòu)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(diào)心軸套、測量標(biāo)尺、行程開關(guān)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(tǒng)運行時，碾磨力是可調(diào)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(xiàn)調(diào)節(jié)到相應(yīng)的最佳碾磨力。當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生變化或者負(fù)荷快速變化是，碾磨力可通過拉桿快速調(diào)節(jié)，這樣加載磨煤機有更好的運行條件，并且隨著煤質(zhì)的改變，能夠進行快速的調(diào)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(dǎo)致系統(tǒng)超壓，可快速通過拉桿傳遞多余壓力儲存在蓄能器中，系統(tǒng)壓力低時在通過拉桿進行壓力釋放返回系統(tǒng)中，蓄能器起到吸收由意外負(fù)荷造成的壓力沖擊。

1.3 運行狀況

平圩發(fā)電三期機組自商業(yè)運營至今，累計發(fā)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(wěn)定運行，導(dǎo)致鍋爐的燃燒工況發(fā)生變化易造成燃燒不穩(wěn)定，甚至機組降負(fù)荷，也給我們檢修人員的安全和健康產(chǎn)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(nèi)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(zhì)進行靜應(yīng)力試驗分析

根據(jù)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(shè)計強度是否滿足實際需要。拉桿經(jīng)靜應(yīng)力結(jié)構(gòu)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(shè)拉桿只受靜載拉力作用，約10%的發(fā)生斷裂的拉桿斷裂在固定細(xì)頸處，斷裂性質(zhì)有疲勞斷裂及材質(zhì)缺陷斷裂。

拉桿材料：42CrMo經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，材料力學(xué)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(xì)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(yīng)力包括擠壓、剪切、彎曲、拉伸等項，均遠(yuǎn)小于拉桿材料的屈服極限σb，因此可以認(rèn)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(yù)兆，而是突然破壞；

(2)引起疲勞破壞斷裂的應(yīng)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(xiàn)區(qū)機擴展區(qū)(光滑部分)和最后斷裂區(qū)(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(dāng)出現(xiàn)裂紋后，構(gòu)件就發(fā)生斷裂，說明構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下處于強度極限狀態(tài)下，稍有振動沖擊即發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

(5)結(jié)論認(rèn)定絕大多數(shù)我廠所發(fā)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(fā)生改變。當(dāng)磨輥找正偏差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且工作面積非工作面間隙均符合技術(shù)要求時，任然會出現(xiàn)三角架偏斜情況，但是按照技術(shù)要求時，拉桿同樣存在偏斜情況，但運行中偏磨比較嚴(yán)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(shè)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(fù)荷時最低壓力的限制不能太高。因此吸收研磨區(qū)振動的能力和彈簧液壓變加載方式相差甚遠(yuǎn)，表現(xiàn)在:磨制煙煤及雜質(zhì)多的煤質(zhì)，運行穩(wěn)定性較差，表現(xiàn)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(dǎo)向板推力面間隙過大分析

當(dāng)導(dǎo)向板推力面由最初始0 mm～6 mm間隙正常運行。經(jīng)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(diào)整增加墊片消除。拉桿在運行過程中大幅度晃動，破壞關(guān)節(jié)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(tǒng)損壞嚴(yán)重，由于大量石子煤及鐵塊的堆積容易使關(guān)節(jié)軸套承嚴(yán)重磨損從而讓煤渣更輕易地進入到拉桿密封風(fēng)室內(nèi);密封風(fēng)管內(nèi)存有的煤渣一定要用密封風(fēng)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(yīng)力集中。經(jīng)過對拉桿構(gòu)件分析外形的影響例如:構(gòu)件上有槽、孔、缺口、軸肩等，將引起應(yīng)力集中明顯。容易把應(yīng)力集中的局部區(qū)域形成疲勞裂紋，使構(gòu)件的持久極限顯著降低。構(gòu)件尺寸的影響也至關(guān)重要，提高變徑尺寸，減少疲勞裂紋的機會。一般情況下，構(gòu)件的最大應(yīng)力發(fā)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(yīng)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(fēng)管下部的密封裝置，安裝新設(shè)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(tài)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(zhì)無法進入密封塊與拉桿之間，而密封空氣又可以將細(xì)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(jié)構(gòu)，其上裝有導(dǎo)向塊。液壓加載系壓架上設(shè)有導(dǎo)向定位結(jié)構(gòu)，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(dǎo)向塊處間隙的調(diào)整應(yīng)以三根拉桿軸線對正基礎(chǔ)上拉桿臺板中心為準(zhǔn)。方可進行墊片調(diào)整。

3.4 增強密封風(fēng)的入口風(fēng)壓

密封風(fēng)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(tǒng)為正壓直吹式，磨煤機設(shè)備的密閉性就顯得尤為重要，尤其在轉(zhuǎn)動部位,這就必須在檢修過程中精益求精對一些影響設(shè)備密閉性的數(shù)據(jù)嚴(yán)格測量，不可粗心大意。比如壓架的導(dǎo)向板間隙，底座密封的密封風(fēng)間隙等等。

3.5 導(dǎo)向板間隙調(diào)整

導(dǎo)向板間隙調(diào)整，技術(shù)文件規(guī)定推力側(cè)理論值是0 mm，非推力側(cè)3～5 mm。但實際運行工作中并無法調(diào)整理想。三角壓架偏差值持續(xù)存在，消除不掉。推力側(cè)不能保證3面為0 mm。因為壓架和磨輥找正的技術(shù)要求約束導(dǎo)向板的調(diào)整。每次調(diào)整導(dǎo)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(jù)磨輥磨損程度來調(diào)整壓架。通過壓架中心位置調(diào)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(diào)整墊片還是換新。

3.6 改善原煤煤質(zhì)，減少不必要的高頻率振動

在保證原煤發(fā)熱量的條件下煤種的配比一定要準(zhǔn)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(dǎo)致給鍋爐制粉系統(tǒng)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(xiàn)象。建議燃運部應(yīng)采用兩臺高磁性除鐵器串聯(lián)，同時運行的方式，才能有效降低進入磨煤機的鐵塊數(shù)量。避免高頻率的振動產(chǎn)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(dǎo)向板間隙調(diào)整作為項目關(guān)鍵點，可設(shè)定間隙調(diào)整周期為3個月。在設(shè)備定期預(yù)防性檢查工作中體現(xiàn)出周期性間隙調(diào)整記錄。把原始間隙、調(diào)整后的間隙詳細(xì)記載，方便日常數(shù)據(jù)查看，有利于對拉桿的定向觀察，預(yù)防疲勞斷裂風(fēng)險發(fā)生。

4 結(jié)束語

分析了解ZGM123G型磨煤機加載拉桿在正常運行過程中導(dǎo)向裝置的磨損間隙超出規(guī)定值時，導(dǎo)向板間隙行程過大，拉桿上下運行就容易產(chǎn)生較大的晃動、跳動現(xiàn)象。加載拉桿長期在剪切力，彎矩力及拉伸力的聯(lián)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(jié)構(gòu)介紹、維護導(dǎo)向板間隙調(diào)整、改進拉桿變徑過渡，減小應(yīng)力集中區(qū)域。最終確保磨煤機加載拉桿能夠穩(wěn)定長周期運行，提高拉桿使用期限。