磨煤機電機主軸斷裂原因分析

張雪超，程 璐，程梓航

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020；2.呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特010050）

0 引言

2013年11月某日，某發(fā)電公司電氣檢修人員接集控運行人員通知，2號鍋爐D磨煤機電機溫度高。電氣檢修人員趕到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)D磨煤機電機已停運，且本體冒煙，其6 kV開關(guān)柜上保護裝置的LED2指示燈亮，為定時限過負荷保護動作后指示燈報警。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子驅(qū)動端在軸肩處斷裂，驅(qū)動端軸承內(nèi)小蓋有裂紋，非驅(qū)動端軸承外小蓋有裂紋，定轉(zhuǎn)子間嚴重掃膛，定轉(zhuǎn)子鐵芯檢查電機兩側(cè)軸承無異常。來樣的磨煤機電機主軸為斷裂的半截，規(guī)格為d120 mm。

D磨煤機電機2010年4月因驅(qū)動端軸承故障與轉(zhuǎn)子軸頸抱死，使該處軸頸磨損，外委修復(fù)過電機驅(qū)動端軸頸，同時該電機轉(zhuǎn)子驅(qū)動側(cè)短路環(huán)有一處斷裂，進行了軸頸補焊，車軸處理；2013年5月，該電機抽轉(zhuǎn)子大修，再次發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子驅(qū)動側(cè)短路環(huán)另一處斷裂，外委電機修配廠更換短路環(huán)，并更換電機兩側(cè)軸承，做電機大修預(yù)試。

1 主軸理化檢驗方法與結(jié)果分析

1.1 宏觀形貌分析

對斷裂的D磨煤機電機主軸進行宏觀形貌檢查。盡管電機主軸斷口損傷嚴重，但還是能從斷口上清楚地看到源自表層補焊修復(fù)部位的裂源、占斷口大部分面積的裂紋擴展區(qū)（貝紋線）和斷口中心的瞬斷區(qū)域。此外，在斷口附近的軸體表層發(fā)現(xiàn)補焊部位存在眾多咬邊、凹坑等焊接不連續(xù)缺陷。這些表層焊接缺陷的存在，在軸體表面形成了嚴重的應(yīng)力集中區(qū)域，為轉(zhuǎn)軸裂紋源的形成提供了前提條件。

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》[1]要求，為了確定其化學(xué)成分，通過使用SPECZROMAXx型臺式直讀光譜儀對斷裂的磨煤機電機主軸進行了化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。電機主軸材質(zhì)應(yīng)為35號鋼，但Mn元素含量略高于標準要求0.09%。Mn作為材料合金化的重要元素之一，有細化珠光體組織以改善材料機械性能的作用[2-3]，盡管在一定程度上有增加材料回火脆性的不利傾向[4]，但其超標含量極少且材料的沖擊韌性合格，因此，不會對軸體斷裂產(chǎn)生主導(dǎo)性作用。

表1 主軸化學(xué)成分檢測結(jié)果%

1.3 顯微組織分析

利用Axio Observer.A1m型金相顯微鏡對斷裂的磨煤機電機主軸取樣進行顯微組織分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，軸體表層存在厚度超過1 mm的補焊層，補焊層組織為粗大魏氏組織；同時，補焊層中存在眾多夾渣、氣孔及與軸基體未熔合等缺陷；主軸基體組織為鐵素體+珠光體組織，未見明顯異常。

圖1 主軸橫斷面的微觀組織形態(tài)

1.4 微區(qū)形貌及能譜分析

利用掃描電子顯微鏡對斷裂的D磨煤機電機主軸斷口進行微區(qū)形貌分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在軸體表層的修復(fù)補焊部位存在眾多夾渣、裂紋及與基體未熔合等缺陷，并在這些焊接缺陷處形成了眾多的疲勞裂紋并向軸基體擴展；在宏觀裂紋擴展區(qū)可以觀測到明顯的疲勞擴展輝紋并向瞬斷區(qū)過渡；在軸中心的宏觀瞬段區(qū)可以觀測到大量的撕裂棱和韌窩。

圖2 斷口微區(qū)形貌

1.5 力學(xué)性能測試及分析

按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[5]要求，利用沖擊試驗機對斷裂的磨煤機電機主軸取樣進行沖擊試驗；按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》[6]要求，對斷裂的磨煤機電機主軸取樣進行常溫拉伸試驗，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，電機主軸的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及沖擊韌性等各項常溫力學(xué)性能均符合標準要求。

表2 D電機主軸力學(xué)性能檢測結(jié)果（20℃）

2 主軸斷裂原因分析

從斷口宏觀及微觀形貌分析來看，電機主軸斷裂起源于其表面修復(fù)焊接缺陷部位，同時具有肉眼可見的宏觀裂紋擴展區(qū)及軸體中心的延性瞬斷區(qū)；結(jié)合斷口掃描電子微區(qū)分析可以認定其為疲勞斷裂特性[7-9]。從顯微組織分析，電機主軸斷口附近表層為明顯的焊接粗大魏氏組織，且焊接部位存在大量夾渣、氣孔及與基體未熔合等缺陷，該類焊接缺陷的存在，很容易導(dǎo)致裂紋的萌生[10-11]。

綜合以上分析認為，該磨煤機電機主軸軸頸處表層修復(fù)補焊部位存在大量焊接缺陷并形成應(yīng)力集中，在長時間重載運行和頻繁啟動工況下首先在各焊接缺陷處形成多源性疲勞裂紋源，這些裂紋源在電機旋轉(zhuǎn)的周期性循環(huán)載荷作用下逐漸擴展并導(dǎo)致主軸最終疲勞斷裂[12]。

3 結(jié)論與建議

a）該磨煤機電機主軸斷裂的主要原因是由于主軸軸頸處表層修復(fù)補焊部位存在大量焊接缺陷并形成應(yīng)力集中，在長時間重載運行和頻繁啟動工況下首先在各焊接缺陷處形成多源性疲勞裂紋源，這些裂紋源在電機旋轉(zhuǎn)的周期性循環(huán)載荷作用下逐漸擴展并導(dǎo)致主軸最終疲勞斷裂。

b）由于旋轉(zhuǎn)類軸體的特殊工況，建議應(yīng)對其運行狀況加強監(jiān)督，避免出現(xiàn)軸頸磨損等現(xiàn)象，一旦磨損嚴重應(yīng)做更換處理，局部補焊修復(fù)很難保證堆焊層沒有缺陷并與基體有效熔合，而缺陷的存在將為應(yīng)力集中及裂紋源的形成創(chuàng)造有利條件。