刘叙笔,岳贤强,杨 超,万 瑜

(江苏方天电力技术有限公司,南京 211102)

摘 要:某电厂3044t/h超超临界锅炉磨煤机拉杆发生断裂,通过化学成分分析、断口分析、力 学性能测试和金相检验等方法对拉杆断裂原因进行了分析。结果表明:该拉杆供货态热处理质量 较差,导致强度和冲击韧性指标不合格,且磨损补焊处因热处理不到位而产生冷裂纹,长期在往复 拉应力及弯曲应力的作用下,裂纹疲劳扩展,最终导致拉杆疲劳断裂。 关键词:超超临界锅炉;磨煤机;拉杆;补焊;疲劳断裂 中图分类号:TG115.21 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)01-0070-04

磨煤机是火力发电厂重要的辅机设备[1-2],其主 要是牵引拉杆,起到带动磨辊装置以及对磨辊装置 施加碾磨压力的作用。某电厂3044t/h超超临界 锅 炉 使 用 的 磨 煤 机 拉 杆 规 格 为 ?125 mm × 1445mm,材料为 40Cr钢,热 处 理 采 用 表 面 渗 碳 工艺,工作 时 拉 杆 在 常 温、常 压 下 做 往 复 运 动,设 计使用寿命不低于35000h。但在服役过程中,该 电厂两台磨煤机拉杆运行约20000h左右时先后 发生了断 裂,造 成 停 炉 事 故,影 响 了 机 组 的 安 全、 稳定运行。 为查明断裂原因,笔者对其中一台磨煤机断裂 拉杆进行了断口分析、金相检验、力学性能测试等, 以期防止事故的再次发生[3-4]。

1 理化检验 1.1 断口分析 图1 断裂拉杆宏观形貌 Fig 1 Macromorphologyoffracturedpullrod 断裂拉杆宏观形貌如图1所示,可见拉杆于杆 中间部位断裂,外表面粗糙,有磨损痕迹。断口整体 宏观形貌如图2所示,可见断口分为裂纹源区、疲劳 扩展区和最终断裂区,断口平齐。疲劳扩展区及最 终断裂区宏观形貌如图3和图4所示,疲劳扩展区 隐约可见间距逐渐增大的疲劳纹,最终断裂区较粗 糙,且出现孔洞。在扫描电镜下对断口进行观察,其 疲劳扩展区和最终断裂区 SEM 形貌如图5和图6 所示,可见疲劳扩展区为疲劳辉纹形貌,最终断裂区 为韧窝形貌。

1.2 化学成分分析

在断裂拉杆上取样并进行化学成分分析,结果 如 表1所 示 ,可 见 拉 杆 的 化 学 成 分 满 足GB/T3077—2015《合金结构钢》对40Cr钢的技术要求。

1.3 金相检验

在磨煤机拉杆断口附近圆钢表层及心部各制取 一个金相试样。对表层纵截面试样进行观察,可见 有较多硫化物夹杂,评级为2级,如图7所示;表层 有柱状晶形貌的焊态组织,如图8所示;补焊区与母 材有明显 的 熔 合 线,母 材 熔 合 区 显 微 组 织 形 貌 如 图9所示;表层补焊区附近的母材组织为较均匀的 回火索氏体+贝氏体,显微组织形貌如图10所示。 判断焊态组织的出现是因为该区域磨损较严 重,检修人员进行过现场补焊所致,且补焊后进行了 表面打磨处理,因此外观上无法分辨。 对心部横 截 面 试 样 进 行 观 察,如 图 11 所 示, 可见显微 组 织 为 网 状 铁 素 体 (魏 氏 组 织)+ 珠 光 体,根据 GB/T3077-2015《合 金 结 构 钢》中 推 荐 的热处理制度(淬 火 + 回 火),该 组 织 属 于 未 淬 透 组织。

1.4 力学性能测试

在拉杆距表面1/3半径处制取一组硬度、拉伸 及冲击试样,并进行力学性能测试,结果如表2所 示。可 见 拉 杆 强 度 及 冲 击 韧 性 均 偏 低,不 符 合 GB/T3077-2015对40Cr钢的技术要求。该标准 仅对经调制处理(850 ℃淬火+520 ℃回火)后试样 的 拉伸及冲击性能指标作了规定,硬度测试结果仅供参考。 通过金相试样测出硬度沿深度的分布曲线,结 果如图12所示。可见表面焊缝及热影响区硬度明 显高于 母 材 的,最 高 硬 度 出 现 在 焊 缝 区 域,达 到 385HV0.1,推测该处焊接时未进行预热和焊后热 处理。

2 分析与讨论

磨煤机拉杆化学成分符合40Cr钢的设计要求, 因硫含量较高,故有较多硫 化 物 夹 杂;如 按 GB/T 3077-2015对40Cr钢淬火及回火的要求,断裂拉 杆强度和冲击韧性均不达标;拉杆表层显微组织为回火索氏体+贝氏体,未见渗碳层组织,心部为网状 铁素体+珠光体,存在严重的未淬透现象。 通过金相检验在断口附近发现拉杆表面存在粗 大柱状晶的焊态组织,说明拉杆曾因为磨损严重而 补焊过,根据金相检验和硬度测试结果判断显微组 织为马氏体组织。40Cr钢焊接性能差,结晶时易偏 析,对结晶裂纹比较敏感,焊接时容易出现弧坑、裂 纹等问题;而且40Cr钢含碳量较高,快冷时易得到 对冷裂纹较敏感的马氏体组织,过热区在冷速较大 时,易形成硬、脆的高碳马氏体而使过热区脆化;因 此40Cr钢焊接时应进行适宜的焊前预热和焊后热 处理工艺。 根据金相检验结合断口分析结果可知,该断口 裂纹起源于拉杆表面的补焊区,从一侧向另一侧扩 展,为单向弯曲交变应力下的疲劳断裂。拉杆正常 情况下不会产生弯曲应力,但如果导向装置发生磨 损,将产生水平推力。

3 结论及建议

(1)磨煤机拉杆断裂模式为起源于表面补焊层 的单向弯曲疲劳断裂。 (2)拉杆断裂的主要原因是供货态拉杆存在质 量问题,拉杆表面未经强化处理导致耐磨性和抗疲 劳性能差;淬火、回火工艺不佳导致锻件强度及韧性 较差;不规范的补焊操作导致表层产生马氏体,进而 萌生裂纹,拉杆长期在往复拉应力及弯曲应力的作 用下,裂纹疲劳扩展,最终导致疲劳断裂。由于导向 装置磨损导致拉杆受力异常是断裂的次要原因。 (3)建议拉杆磨损后应制定规范的补焊工艺, 进行适宜的焊前预热和焊后热处理;定期检查导向 装置是否发生磨损,防止拉杆受到水平推力而产生 弯曲疲劳。

来源：材料与测试网