磨煤機磨輥斷裂失效分析

王建斌，畢虎才，高義斌

（1.大唐國際運城發電有限責任公司，山西 運城 044602；2.山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

磨煤機磨輥斷裂失效分析

王建斌1，畢虎才2，高義斌2

（1.大唐國際運城發電有限責任公司，山西 運城 044602；2.山西電力科學研究院，山西 太原 030001）

某電站磨煤機磨輥發生斷裂，針對斷裂磨輥進行化學分析、力學性能分析、金相分析，結果表明磨煤機磨輥斷裂是典型的疲勞斷裂失效，主要由于熱處理工藝控制不當使組織性能達不到要求，在運行工況中產生表面損傷，在長期交變載荷作用下導致斷裂失效。

拉桿；斷裂；失效；疲勞

0 引言

某電廠鍋爐制粉系統的中速磨煤機磨輥多次發生斷裂事故，嚴重影響了機組安全正常運行。該磨煤機的碾磨部分是由轉動的磨環和可自轉的3條磨輥組成，磨輥加載方式為液壓變加載，均勻作用至各個磨輥上，磨煤機磨輥設計材質為42CrMo。

1 磨煤機磨輥斷裂失效試驗分析

為了查清磨煤機磨輥斷裂原因，對斷裂磨輥進行化學分析、力學性能分析、金相分析。

1.1 磨輥化學成分試驗

對斷裂磨輥進行化學試驗分析結果見表1。

表1 磨輥化學成分

化學試驗結果表明磨輥材質符合GB3077—1988 88中42CrMo規定。

1.2 磨輥力學性能試驗

在樣品上加工力學性能試樣，試驗結果見表2。

表2 磨輥室溫拉伸試驗結果

力學性能實驗結果表明材料抗拉強度和屈服強度偏低，不滿足技術要求。

1.3 斷裂磨輥宏觀斷口分析

斷裂磨輥宏觀斷口形貌特征見圖1，沒有宏觀塑性變形，有約1//3的面積晶粒較粗大，有完整的疲勞源區、疲勞裂紋穩定擴展區和快速斷裂區。斷口存在兩處明顯的疲勞弧線，分別位于5區以上擴展區和7區附近擴展區。疲勞弧線類似貝殼狀，也稱海灘狀條紋，是金屬宏觀疲勞斷口的典型特征，也是鑒別疲勞斷口的重要依據[1-2]。斷口瞬斷區表面局部呈現晶粒表象，顏色比較暗淡；另外，存在不同程度晶粒多面體特征，局部表現為脆性沿晶斷裂，也就是說，在疲勞擴展到一定程度，發生脆性斷裂的失效。由此可以判斷該斷裂屬于疲勞脆性斷裂。

由圖1可以看出，根據疲勞條紋的擴展方向及斷口宏觀臺階的擴展，可以確定斷口存在3處源疲勞源，每個疲勞源宏觀斷口都包括裂紋源與開裂區、裂紋擴展區和最終斷裂區，在疲勞源a和疲勞源c的附近存在明顯的疲勞弧線，疲勞源a沿垂直于貝殼花紋疲勞弧線的方向擴展；其中產生臺階的擴展疲勞源b不太明顯，但明顯的解理臺階可以初步推斷存在疲勞源b，且在不同水平的解理臺階存在相連續的、從疲勞源a發展來的疲勞條紋；疲勞源b沿9區擴展，與疲勞源a擴展相互影響，交叉擴展，在有應力、碳化物聚集或大塊夾雜的地方，產生局部解理臺階（宏觀表象見9區）。這個現象可以說明疲勞源a和疲勞源b是交互擴展的。

隨著3處疲勞源擴展的進行，磨輥局部的單位面積應力在逐漸增大，疲勞弧線之間的距離也在變大，疲勞裂紋擴展速度增大[3]，隨著解理裂紋的擴展，到局部平均應力超過屈服極限時，發生脆性沿晶間斷裂。

圖1 磨輥斷口宏觀形貌及分區

1.4 磨輥斷口分區取樣金相

在磨輥斷口的不同區域取樣，采用機械拋光，5%硝酸酒精溶液浸蝕，在金相顯微鏡下進行觀察。

9 區疲勞源b外表處組織為鐵素體加少量珠光體，見圖2a；7區疲勞源外表處組織為板條馬氏體，淬硬性明顯，見圖2b；5區組織為網狀鐵素體加珠光體，見圖2c；瞬斷區心部組織為針狀上貝氏體+碳化物，見圖2d。從圖2a和2c對比可以看出，磨輥局部表面珠光體含量低，存在脫碳現象，5區和瞬斷區心部組織的差異也表明組織在冷卻過程中的不均勻；分析9區珠光體含量少，其原因主要是磨輥在淬火后回火過程中，溫度偏高，局部脫碳所導致。瞬斷區金相組織為上貝氏體+碳化物，組織較粗大，分析此處組織在初次淬火冷卻過程中速度略慢，未能得到馬氏體，同時，在回火溫度略高的情況下析出部分碳化物，而上貝氏體組織強度高、韌性略差于回火索氏體；中心部位組織不一，形態不一，性能差異較大。從圖3可以看出，組織內部同時存在微裂紋及分層組織，也表明組織的不均勻。

圖2 磨輥斷口不同區域金相

圖3 磨輥斷口內部裂紋及分層組織

金相分析表明磨輥表層組織局部存在脫碳，未得到有效的回火馬氏體；中心部位及表層組織存在明顯差異，這種差異會加速疲勞裂紋的擴展。

2 磨輥斷裂失效綜合分析

磨輥化學成分符合42CrMo規定，材料抗拉強度和屈服強度偏低，表層、中心部位金相組織不均勻，在多處疲勞源存在的情況下，受到復雜的交變載荷作用，直至發生疲勞脆性斷裂。

斷裂磨輥宏觀斷口有完整的疲勞源區、疲勞裂紋穩定擴展區和快速斷裂區。斷口存在兩處明顯的疲勞弧線，分別位于5區以上擴展區和7區附近擴展區。最終斷裂表現為脆性沿晶斷裂，也就是說，隨著疲勞源擴展的進行，拉桿局部的單位面積應力在逐漸增大，疲勞弧線之間的距離也在變大，疲勞裂紋擴展速度增大，隨著解理裂紋的擴展，到局部平均應力超過屈服極限時在疲勞擴展到一定程度，發生脆性斷裂的失效。由此可以判斷該斷裂屬于疲勞脆性斷裂。

根據疲勞條紋的擴展方向及斷口宏觀臺階的擴展，可以確定斷口存在3處源疲勞源，每個宏觀斷口都包括裂紋源與開裂區、裂紋擴展區和最終斷裂區，疲勞裂紋穩定擴展區是由多源疲勞源交互擴展形成的，磨輥在組織不均勻及內應力的條件下承受外界的交變載荷作用，產生局部解理臺階（宏觀表象見9區）。

42 CrMo的馬氏體轉變開始溫度Ms點為310℃，加熱上臨界點Ac3為775℃[4]，如果冷卻速度不夠，或冷卻速度及區域不均勻，有可能在Ms點以上，加熱下臨界點Ac1溫度以下得到部分珠光體+鐵素體，或者貝氏體組織，就會產生組織的不均勻；中心部位及表層組織存在明顯差異，磨輥表層組織局部存在脫碳，這些差異會加速疲勞裂紋的擴展。

3 結論

磨煤機磨輥的斷裂是典型的疲勞斷裂失效；熱處理工藝控制不當使組織性能達不到要求，力學性能實驗結果表明材料抗拉強度和屈服強度偏低，在運行工況中產生表面損傷，在長期復雜的交變載荷作用下導致斷裂失效。

［1］ 鐘群鵬，趙子華.斷口學［M］.北京：高等教育出版社，2005：184-186.

［2］ G.亨利，D.豪斯特曼.宏觀斷口學及顯微斷口學［M］.曾祥華，譯.北京：機械工業出版社，1979：58-90.

［3］ 張海峰，王春芬，張永輝，等.軋輥斷裂原因分析［J］.熱加工工藝，2008（2）：114-116.

［4］ 姜求志，王金瑞.火力發電廠金屬材料手冊［M］.北京：中國電力出版社，2004：841-843.

Failure Analysis of Grinding Roller Rupture on Coal Pulverizer

WANG Jian-bin1，BIHu-cai2，GAO Yi-bin2
（1.Datang International Yuncheng Power Generation Co.，Ltd，Yuncheng，Shanxi 044602，China；2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Rupture occurred on the grinding roller of coal pulverizer in a power plant.Chemical analysis，mechanics property analysis and metallographic analysis were done to figure out the reason of rupture,and the results show that itwas a typical fatigue failure.Unsuitable control of heat treatment led to substandardness of structure property so that rupture failure happened under longterm alternate load.

grinding roller；rupture；invalidation；fatigue

TK223.25

A

1671-0320（2012）04-0045-03

2012-03-19，

2012-06-12

王建斌（1974-），男，廣西桂林人，1997年畢業于安徽工業大學熱能動力專業，工程師，從事電站金屬部件監督管理工作；

畢虎才（1978-），男，山西五寨人，2001年畢業于太原理工大學金相專業，工程師，從事電廠金屬部件材料性能分析及理化探傷工作；

高義斌（1979-），男，山西襄垣人，2005年畢業于太原理工大學材料加工工程專業，工程師，從事電站金屬部件檢驗分析工作。