超超臨界機組引風機芯軸斷裂分析

張英偉

(內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010206)

1 概況

某電廠10號機組為660 MW超超臨界機組，引風機為HU27054-221型雙級動葉可調軸流式引風機。它主要由進氣室、集流器、兩級葉輪、葉片、擴壓器、動葉調節機構等部件構成，其基本工作原理為：由系統管道流入風機的氣流經進氣箱改變方向，經集流器收斂加速流向葉輪，電動機帶動葉輪葉片對氣流作功，葉片的工作角度與葉柵距可無級調節，由此改變風量、風壓，滿足工況變化需求。流經葉輪后的氣流為螺旋運動，經后導葉轉為軸向流入擴壓器，在擴壓器內氣體的部分動能轉化成靜壓能，再流至系統滿足運行要求，從而完成風機出力的工作過程。該機組在運行約3萬h后，引風機芯軸斷裂，斷裂位置為芯軸端部變徑部位即軸肩處，斷面垂直于芯軸軸向，小徑尺寸為φ55 mm，大徑尺寸為φ80 mm，芯軸設計材質為42CrMo。為探明芯軸斷裂原因，避免類似事故發生，對斷裂芯軸進行了理化檢驗及失效分析。

2 試驗結果及分析

2.1 宏觀形貌分析

芯軸斷裂的宏觀形貌如圖1所示，斷裂部位位于該芯軸退刀槽變截面處。斷面平行于芯軸旋轉方向，與芯軸軸向垂直，此處受旋轉應力作用在變截面處存在一定的應力集中。

圖1 芯軸斷口形貌

芯軸斷口大部光滑平整，無明顯的塑性變形，呈典型的疲勞脆性斷裂特征，由疲勞源、疲勞擴展區和瞬斷區組成。疲勞源區有多個凹坑，說明有多個疲勞源，為多源疲勞開裂；疲勞擴展區有較明顯的不同取向的貝殼狀花樣，貝殼樣花紋比較扁平，斷口上有高低不同的疲勞擴展臺階，這是疲勞裂紋在不同平面上擴展相遇所致。貝殼花紋有一定扭轉角度，說明芯軸承受扭轉載荷，斷口上疲勞擴展區所占面積較大約3/5；瞬斷區位于裂紋源區對面，斷口高低不平，有較大塑性變形，為旋轉彎曲應力下撕裂形貌，瞬斷區域占比較小，約占整個斷口表面的1/5左右。綜合以上斷口特點及各區所占比例，說明芯軸承受的循環載荷不大[1-2]，此斷口形貌符合試樣尖缺口低載荷旋轉彎曲的斷口特征[3]。

觀察斷裂芯軸的退刀槽部位宏觀形貌可見，退刀槽部位過渡較為粗糙，存在明顯的加工刀痕，容易導致應力集中進而在交變載荷作用下萌生早期微裂紋，進而最終導致芯軸斷裂。

2.2 材質分析

從引風機芯軸桿部以及斷口附近取樣，通過牛津FOUNDRY MASTERPRO型全譜直讀光譜儀進行化學成分分析，試驗結果如表1所示，其主要元素含量符合JB/T 6396—2006《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》的要求。

表1 芯軸光譜成分分析結果(質量分數) 單位：%

2.3 顯微組織分析

從芯軸斷口附近部位取橫截面金相試樣，經磨制、拋光后采用體積分數為4 %的硝酸酒精溶液腐蝕，采用ZEISS蔡司光學顯微鏡對引風機芯軸表面和心部的顯微組織進行觀察可見，其形貌變化不大。其金相組織為鐵素體機體上分布著細小均勻碳化物顆粒的復合組織，具有明顯的回火索氏體特征；金相組織正常，表明此芯軸的熱處理狀態沒有異常。

從芯軸斷口取縱截面金相試樣進行分析，其組織與橫向組織基本一致，呈典型的回火索氏體特征，金相組織正常。

2.4 夾雜物分析

在芯軸斷口附近取縱向試樣，經磨制、拋光后，在光學顯微鏡下進行觀察。芯軸機體中所包含的夾雜物大致可以分成兩類：一種為黑色的不規則的橢圓狀顆粒，形態較小(＜3 μm)，沒有變形，排列成一排，整體呈帶狀；另一種為黑色圓形狀，形態較小(＜3 μm)，沒有形變，在整個顯微鏡視野下分布比較彌散。根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》中對夾雜物的分類，其夾雜物評級如表2所示，B類細系2級及D類細系1級，參照YB/T 5137—2007《高壓用熱軋和鍛制無縫鋼管圓管坯》對非金屬夾雜物的要求，芯軸的夾雜物符合標準要求。

表2 芯軸夾雜物分析結果 單位：μm

2.5 硬度分析

硬度試驗可以檢測出管道表面的軟硬程度、耐磨性、抵抗塑性變形的能力。硬度在一定程度上反映出材料的抗拉強度，是材料本身性能的一項重要的指標，同時也可以反映出材料的熱處理狀態。對芯軸取橫截面試樣，采用SHB-3000E型布氏硬度計對試樣進行硬度測試，測試平均值為259HB，低于JB/T 6396—2006《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》中對42CrMo鍛件材質硬度要求，但符合芯軸說明書上要求，具體試驗結果見表3。

表3 硬度試驗數據 單位：HB

2.6 力學性能試驗

材料力學性能是保證材料最終使用性能(機械性能)的重要指標，其中材料的拉伸試驗是材料機械性能試驗的基本方法之一，可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減率、抗拉強度、屈服強度、屈服點及其他拉伸性能指標，是判斷材料是否符合設計性能的主要方法。本次試驗在斷裂芯軸軸向的兩端及中間三個不同部位上取樣進行室溫拉伸力學性能試驗，具體檢驗結果如表4所示。

表4 試樣力學性能試驗數據(試驗溫度20 ℃)

由表4可以看出發生斷裂芯軸的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率未出現降低情況，均符合JB/T 6396—2006《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》標準要求。

3 綜合分析

從該芯軸的產品說明書可知，芯軸的材質為42CrMo，熱處理狀態為調質(淬火+高溫回火)狀態，其金相組織應為回火索氏體，硬度為235～285 HB。綜合上述檢驗情況，該芯軸的化學成分、金相組織、夾雜物級別以及力學性能符合JB/T 6396—2006《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》，只是硬度低于該標準要求下限，但符合芯軸說明書硬度要求。

引風機芯軸斷裂位置位于退刀槽變截面處，斷口呈現出典型的旋轉彎曲應力作用下的疲勞斷口特征。查閱引風機設計圖紙，發現斷裂部位變截面處，截面突變明顯，過渡圓角半徑僅為1 mm，過渡圓角太小，也增加了變截面處的應力集中系數，同時該處存在加工刀痕，往往容易成為裂紋源，此分析也與文獻[4-5]一致。

此次芯軸斷裂推斷是由于變截面處過渡部位較為粗糙，可見明顯的加工刀痕，且變截面處過渡圓角較小，造成應力集中，芯軸在長期旋轉彎曲應力作用疲勞開裂。彎曲應力的產生，可能是因為引風機安裝過程中，配合不當，導致推力盤的重量及動載荷轉移至芯軸退刀槽處，在長期運行振動中，芯軸退刀槽處反復承受循環應力，在動載的持續作用下，在應力集中處產生疲勞微裂紋，并不斷擴展，最終導致芯軸疲勞斷裂。

4 結論

引風機芯軸斷口形貌為典型的旋轉彎曲應力作用下的疲勞斷口特征。發生斷裂主要原因是退刀槽變截面部位可見明顯加工刀痕，且變截面處過渡圓角較小，產生明顯應力集中，變截面處在扭轉、彎曲等交變應力作用下裂紋萌生、擴展，最終導致疲勞斷裂。此次風機芯軸斷裂試驗分析為類似事件的處理提供了參考。