電站鍋爐電動(dòng)機(jī)軸承座斷裂失效分析

陳健波

安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院 安徽合肥 230031

1 序言

受安徽某化工企業(yè)自備發(fā)電廠的委托，對(duì)該公司發(fā)生斷裂的2號(hào)電站鍋爐乙側(cè)磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承座進(jìn)行失效分析。送檢的軸承座位于磨煤機(jī)一側(cè)小齒輪承力端，于2015年安裝投用，2020年8月發(fā)現(xiàn)裂紋，軸承座材質(zhì)為灰鑄鐵，牌號(hào)HT250。為找出開(kāi)裂的原因并提出解決措施，對(duì)軸承座斷裂部位進(jìn)行失效分析。

2 宏觀檢查

圖1所示為磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)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(qū)域無(wú)明顯塑性變形（見(jiàn)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(cè)

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(jīng)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(yuǎn)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(wú)方向性分布，珠光體含量約80%。

圖2 軸承座遠(yuǎn)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(wú)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(cè)

利用B H3000型臺(tái)式布氏硬度計(jì)，187.5k g f（1837.5N）載荷，20s加載時(shí)間，在金相試樣表面進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可看出，軸承座的硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 軸承座硬度檢驗(yàn)結(jié)果

5 室溫拉伸試驗(yàn)

在斷裂支耳上按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》要求截取拉伸試樣，在UTM5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可看出，斷裂軸承座的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度偏低，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。整個(gè)拉伸過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，約4s即出現(xiàn)斷裂，沒(méi)有屈服臺(tái)階，無(wú)塑性變形[1，2]。

表2 軸承座室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

6 室溫沖擊試驗(yàn)

按照GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)要求在斷裂支耳上截取標(biāo)準(zhǔn)尺寸沖擊試樣（55mm×10mm×10mm），采用V型缺口和不開(kāi)缺口兩種試樣，在PTM2200型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)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(shù)值均較低，且二者幾無(wú)差別。開(kāi)制缺口與否對(duì)沖擊吸收能量數(shù)值的影響極小，材料本身的沖擊韌度較低，沖擊斷口無(wú)塑性變形，為典型脆性材料。

表3 軸承座室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

7 試驗(yàn)分析與結(jié)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(yīng)力集中部位。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，隨著磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)大軸的起停和轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承座承受交變和往復(fù)載荷、振動(dòng)載荷等。此外，斷裂軸承座所屬發(fā)電機(jī)組還承擔(dān)一定的調(diào)峰任務(wù)，起停相對(duì)頻繁，受外部載荷影響更大，裂紋易在應(yīng)力集中處萌生。

GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》規(guī)定[3]，力學(xué)性能和金相組織是鑄鐵件驗(yàn)收的主要指標(biāo)，但標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各牌號(hào)鑄鐵件的金相組織沒(méi)有明確限定，對(duì)其化學(xué)成分也沒(méi)有限定，需要買(mǎi)賣(mài)雙方協(xié)商或遵從制造方的技術(shù)規(guī)定。在沒(méi)有明確規(guī)定的情況下，力學(xué)性能就成了鑄件驗(yàn)收的唯一判據(jù)[4，5]。從力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)看，軸承座的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，拉伸斷裂在極短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，拉伸試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)塑性變形。此外，軸承座的沖擊性能很低，缺口對(duì)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(dòng)機(jī)軸承座運(yùn)行中受交變、往復(fù)、振動(dòng)等外部載荷影響大，且其硬度、強(qiáng)度、沖擊韌度等力學(xué)性能較低，裂紋易在應(yīng)力集中部位萌生、擴(kuò)展并最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生。

綜合所述，磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承座發(fā)生斷裂的原因是：軸承座材料強(qiáng)度、沖擊韌度等力學(xué)性能較低，在交變和往復(fù)外部載荷長(zhǎng)期作用下，裂紋在支耳與軸承座本體相交處這一應(yīng)力集中部位萌生、擴(kuò)展并最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生。

8 解決措施

為防止類(lèi)似問(wèn)題的發(fā)生，可采取以下措施。

1）加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)軸承座采購(gòu)管理，明確軸承座材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能，選擇質(zhì)量信得過(guò)的制造商，從源頭保障軸承座的性能。

2）加強(qiáng)軸承座發(fā)貨前檢驗(yàn)和入廠驗(yàn)收。

3）相較于灰鑄鐵而言，球墨鑄鐵具有更高的強(qiáng)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。