某發(fā)電公司中速磨煤機旋轉(zhuǎn)噴嘴斷裂原因分析

張艷紅

(遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

某發(fā)電公司中速磨煤機于2010年5月20日投入運行，于2011年4月在檢修中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)噴嘴斷裂，至發(fā)現(xiàn)斷裂之日，累計運行約6 000 h。

1 試驗分析

中速磨煤機型號為 ZGM133G，標(biāo)定出力為95.8 t/h，磨煤機最大出力入口一次風(fēng)量為41.3 kg/s，一次風(fēng)溫度約為280℃。電動機功率為1 000 kW，轉(zhuǎn)速為991 r/min。

中速磨煤機旋轉(zhuǎn)噴嘴縱剖面結(jié)構(gòu)圖 (見圖1)中，涂黃色的部分是旋轉(zhuǎn)噴嘴輪環(huán)，涂紅色的部分是導(dǎo)葉，旋轉(zhuǎn)噴嘴輪環(huán)內(nèi)徑約3 540 mm，外徑(包括導(dǎo)葉)為3 980 mm，輪環(huán)外弧一周等距離分布38片導(dǎo)葉。噴嘴軸向長約400 mm，最薄處壁厚為30 mm。旋轉(zhuǎn)噴嘴材質(zhì)為ZG50Mn2。

旋轉(zhuǎn)噴嘴輪環(huán)上部通過螺絲與磨環(huán)托盤固定為一體，工作時隨磨環(huán)托盤一同旋轉(zhuǎn)，磨環(huán)轉(zhuǎn)速為22.3 r/min，旋轉(zhuǎn)噴嘴工作溫度約為280℃。

1.1 斷口宏觀特征分析

磨煤機旋轉(zhuǎn)噴嘴斷裂于2個導(dǎo)葉之間，斷口沿噴嘴軸向分布，上部緊貼著一個導(dǎo)葉的上端，下部將相鄰導(dǎo)葉下端撕掉一部分 (見圖2～圖4)。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴嘴結(jié)構(gòu)圖

斷口結(jié)構(gòu)圖如圖5～圖7所示，由于斷裂后斷口在室外大氣中放置較長時間，斷口表面大部分被氧化呈鐵銹色，但斷口清洗后，部分區(qū)域被氧化呈黑灰色，如圖5所示;在斷口的內(nèi)弧側(cè)邊緣，尤其是2個90°拐彎處可見明顯的舊裂紋痕跡，其表面呈藍色，如圖6所示，舊裂紋表面呈藍色應(yīng)該是在工作溫度 (280℃)下開裂后金屬表面的氧化色。在斷口的另一側(cè) (見圖7中的A處)可見鑄造疏松缺陷，B處未見明顯的材料鑄造缺陷。

在圖7中的A處沿上下方向垂直于斷口表面切開后，切面上可見大面積的鑄造疏松缺陷，如圖8所示。

斷口宏觀特征表明:裂紋起源于旋轉(zhuǎn)噴嘴內(nèi)弧側(cè)，由內(nèi)弧側(cè)向外弧側(cè)發(fā)展，最后斷裂區(qū)域在外弧側(cè)2個導(dǎo)葉端部。斷口上斷面粗糙，舊裂紋區(qū)域較小，無剪切斷裂區(qū)，斷口屬于脆性斷裂［1］。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷口附近取樣進行化學(xué)成分分析，試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4336—2002，儀器型號為DV－6。

化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，其中除含C量略超過標(biāo)準(zhǔn)要求外，其它合金元素含量均符合JB/T 6402—2006《大型低合金鋼鑄件》要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗

對圖8所示斷面進行金相檢驗，拋光后未腐蝕鑄造疏松缺陷如圖9所示，疏松之間形成裂紋。腐蝕后在鑄造疏松附近可見裂紋狀缺陷，如圖10所示，疏松邊界可見明顯的脫碳層，如圖11所示。在斷口附近垂直于斷面取樣進行金相檢驗，斷口附近可見微裂紋，如圖12～圖13所示，基體組織為珠光體加鐵素體，晶粒粗大，大于1級。基體組織中可見微裂紋，如圖14～圖15所示。

圖9 拋光后未腐蝕鑄造疏松缺陷

圖15 基體組織中微裂紋

金相檢驗結(jié)果表明:基體組織晶粒粗大，斷口附近及鑄造疏松缺陷附近的基體上存在微裂紋，鑄造疏松邊界存在脫碳現(xiàn)象，金相組織有過燒特征。

1.4 機械性能試驗

在斷裂的旋轉(zhuǎn)噴嘴上取3組試樣進行常溫拉伸試驗。1組試樣在斷口附近，另2組試樣分別距斷口250 mm及500 mm，試樣長度方向沿旋轉(zhuǎn)噴嘴周向。

常溫拉伸試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 228—2002，儀器型號為CSS－1120。試驗結(jié)果如表2所示。比較可見，旋轉(zhuǎn)噴嘴材質(zhì)抗拉強度及屈服強度均低于標(biāo)準(zhǔn)下限，延伸率及斷面收縮率遠低于標(biāo)準(zhǔn)下限，材質(zhì)性能不合格。

表2 旋轉(zhuǎn)噴嘴材質(zhì)力學(xué)性能檢測結(jié)果

2 旋轉(zhuǎn)噴嘴斷裂原因分析

旋轉(zhuǎn)噴嘴材質(zhì)為ZG50Mn2，該鋼含C量較高(0.45% ～0.55%)，含Mn量為1.5% ～1.8%，具有較高的強度，適用于高強度零件，如齒輪、齒輪緣等。

ZG50Mn2熱處理工藝為正火加回火，正火處理溫度在Ac3以上30～50℃，加熱一段時間后空冷處理，可以消除鑄鋼的鑄態(tài)組織，提高鑄鋼的強度和韌度。由于正火空冷，冷卻速度較快，容易產(chǎn)生應(yīng)力，所以正火后可通過回火處理消除應(yīng)力。當(dāng)正火溫度低于Ac3時，存在殘留鑄態(tài)組織，鑄件的性能得不到改善;若正火溫度偏高，奧氏體晶粒粗大，冷卻后重復(fù)出現(xiàn)魏氏組織也會使鑄件性能惡化，因此應(yīng)嚴(yán)格控制熱處理溫度。ZG50Mn2鑄造工藝較難控制，容易出現(xiàn)鑄造缺陷，且該鋼具有熱脆敏感性，若熱處理工藝控制不當(dāng)易產(chǎn)生過燒組織。各項試驗分析結(jié)果如下。

a． 化學(xué)成分檢驗結(jié)果:該旋轉(zhuǎn)噴嘴化學(xué)成分中含C量高于標(biāo)準(zhǔn)上限。

b． 斷口宏觀檢驗結(jié)果:斷口粗糙，斷口上舊裂紋區(qū)域 (裂紋疲勞擴展區(qū))很小，無剪切斷裂區(qū)域，斷口屬于快速脆性斷裂。斷面上存在鑄造缺陷 (鑄造疏松或縮孔)，鑄造缺陷的存在大大降低了構(gòu)件抵抗裂紋形成及擴展的能力。

c． 金相檢驗結(jié)果:基體組織晶粒粗大，晶粒度大于1級，斷口附近及鑄造疏松缺陷附近的基體上存在微裂紋，鑄造疏松邊界存在脫碳現(xiàn)象，金相組織有過燒特征。

d． 機械性能檢驗結(jié)果:與JB/T 6402—2006標(biāo)準(zhǔn)中ZG50Mn2相比，屈服強度及抗拉強度均低于標(biāo)準(zhǔn)下限，延伸率及斷面收縮率遠低于標(biāo)準(zhǔn)下限。

以上各項檢驗結(jié)果表明，該旋轉(zhuǎn)噴嘴鑄造質(zhì)量不合格，局部存在鑄造疏松及微裂紋，且熱處理工藝控制不當(dāng)，產(chǎn)生過燒組織，從而導(dǎo)致其強度較低，韌性極差，機械性能不合格。

中速磨煤機旋轉(zhuǎn)噴嘴在運行中其周向承受的拉應(yīng)力有3部分，一是由于噴嘴旋轉(zhuǎn)的離心力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，該應(yīng)力在旋轉(zhuǎn)噴嘴輪環(huán)厚度上分布規(guī)律是內(nèi)弧側(cè)高于外弧側(cè);二是由于旋轉(zhuǎn)噴嘴內(nèi)、外弧溫差 (外弧工作溫度約為280℃，內(nèi)弧接近室溫)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力作用在旋轉(zhuǎn)噴嘴輪環(huán)內(nèi)弧側(cè)是拉應(yīng)力，外弧側(cè)是壓應(yīng)力;三是當(dāng)磨煤機中的異物，如石塊、木塊等剛好擠在旋轉(zhuǎn)噴嘴導(dǎo)葉與靜葉之間，使其旋轉(zhuǎn)受阻時，旋轉(zhuǎn)噴嘴周向?qū)⑼蝗划a(chǎn)生一個較大的附加應(yīng)力，當(dāng)異物被擠碎或碾除之后，附加應(yīng)力消失，該應(yīng)力在旋轉(zhuǎn)噴嘴輪環(huán)厚度上視為均勻分布。上述3種應(yīng)力疊加在一起，旋轉(zhuǎn)噴嘴輪環(huán)內(nèi)弧側(cè)應(yīng)力大于外弧側(cè)，當(dāng)內(nèi)弧側(cè)應(yīng)力達到某一值時，在旋轉(zhuǎn)噴嘴內(nèi)弧側(cè)周向強度較弱部位將形成裂紋，裂紋不斷疲勞擴展，當(dāng)擴展到某一臨界尺寸后引發(fā)瞬時斷裂。斷口上的斷裂特征與應(yīng)力分析結(jié)果一致。由于該旋轉(zhuǎn)噴嘴強度較低、韌性較差，且局部存在鑄造缺陷 (鑄造疏松及微裂紋)，其抵抗裂紋形成及裂紋擴展能力較差。旋轉(zhuǎn)噴嘴材質(zhì)不合格是引發(fā)其早期脆性斷裂的主要原因。

上述3種應(yīng)力中前2種應(yīng)力是穩(wěn)定的，只要磨煤機運行，應(yīng)力就存在。第3種應(yīng)力是偶發(fā)的，正常工況下不應(yīng)存在，但該應(yīng)力一旦產(chǎn)生，其峰值較高，對旋轉(zhuǎn)噴嘴的破壞性較大，因此運行中應(yīng)保持磨煤機中物料清潔，盡量避免產(chǎn)生該應(yīng)力。

3 結(jié)論

a． 旋轉(zhuǎn)噴嘴斷口特征屬于脆性斷裂。

b． 引發(fā)旋轉(zhuǎn)噴嘴脆性斷裂的主要原因是該ZG50Mn2材質(zhì)不合格，鑄造時存在鑄造缺陷，且熱處理工藝不當(dāng)，產(chǎn)生過燒組織，鑄件材質(zhì)強度較低且韌性較差，其抵抗裂紋形成及擴展能力較差。

c． 磨煤機內(nèi)應(yīng)保持物料清潔，不應(yīng)存在石塊、木塊等異物，防止異物卡在動葉與靜葉之間，從而引發(fā)較大的附加應(yīng)力。

［1］ 吳連生．失效分析技術(shù) ［M］．四川:四川科學(xué)技術(shù)出版社，1985．