泰興減速機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強(qiáng)減速機(jī)2019年9月22日訊 某熱電廠減速機(jī)的高速軸在運(yùn)行中發(fā)生斷裂,通過(guò)對(duì)斷軸進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、表層能譜分析、硬度檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)以及力學(xué)性能測(cè)試,并結(jié)合減速機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行分析,結(jié)果表明,高速軸的制造質(zhì)量不合格。

由于其表面滲氮層中存在大量微裂紋和針狀組織,在運(yùn)行期間,微裂紋發(fā)生擴(kuò)展,造成表層金屬剝落,形成應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致高速軸出現(xiàn)疲勞斷裂。針對(duì)斷裂的原因,提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞:高速軸滲氮層微裂紋疲勞斷裂doi:10.3969/j.issn.1006－8805.2019.02.007某熱電廠7號(hào)鍋爐的乙側(cè)磨煤機(jī)正常運(yùn)行電流為72.45A,在運(yùn)行過(guò)程中電流瞬間降低至34.31A,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn),乙側(cè)磨煤機(jī)的電機(jī)仍在運(yùn)行,但磨煤機(jī)的泰興減速機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn),確認(rèn)減速機(jī)的高速軸已經(jīng)發(fā)生斷裂(位于3瓦軸承側(cè))。高速軸為減速機(jī)原裝的齒輪軸,于2008年投用,材質(zhì)為37SiMn2MoV。

為查找高速軸的斷裂原因,進(jìn)行了以下檢驗(yàn)分析。1檢驗(yàn)與分析1.1宏觀檢驗(yàn)高速軸斷裂于減速機(jī)輸入端的軸承安裝部位,軸徑160mm,斷裂面靠近軸肩處,距倒角處約3~5mm,見圖1~圖2。由圖可見,斷口整體較為平齊,可區(qū)分出裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),裂紋源區(qū)有貝殼狀條紋,并伴有多條撕裂棱,具有多源疲勞開裂特征【1】。

斷口上瞬斷區(qū)的面積不足橫截面積的20％,由此可斷定該高速軸斷裂前并未出現(xiàn)明顯過(guò)載現(xiàn)象,見圖3~圖6。斷軸外表面存在明顯的金屬剝離痕跡,剝離層沿圓周分布,與軸承的安裝位置基本對(duì)應(yīng),剝離層厚度為1~2mm,見圖7~圖8。

圖1齒輪側(cè)斷軸圖2軸承側(cè)斷軸圖3齒輪側(cè)斷口1.2化學(xué)成分分析在斷軸芯部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果(見表1)顯示,斷軸的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中關(guān)于37SiMn2MoV的規(guī)定。動(dòng)設(shè)備石油化工設(shè)備技術(shù),2019,40(2)·23·Petro-ChemicalEquipmentTechnology萬(wàn)方數(shù)據(jù)圖4軸承側(cè)斷口圖5裂紋源區(qū)的放射狀條紋(6.5×)圖6擴(kuò)展區(qū)的條帶形貌(6.5×)圖7軸承接觸部位的表面剝離層圖8斷軸橫向截面上的剝離層(6.5×)同時(shí),對(duì)斷軸表面取樣進(jìn)行碳含量檢測(cè),結(jié)果顯示,其表面含碳量為0.26％,明顯低于基體的碳含量0.39％。表1斷軸芯部化學(xué)成分分析結(jié)果w,％元素檢測(cè)結(jié)果GB/T3077—1999范圍C0.390.33~0.39S＜0.001≤0.035Mn1.701.60~1.90Si0.720.60~0.90P0.029≤0.035Cr0.12≤0.30Mo0.370.40~0.50V0.080.05~0.121.3能譜分析由于斷軸表面的碳含量明顯低于基體,初步分析斷軸表面可能進(jìn)行了化學(xué)處理。

對(duì)斷軸沿直徑方向切割取樣,拋磨后用5％硝酸酒精腐蝕,明顯可見3個(gè)不同的顏色區(qū)域:表面光亮層、中間黑色過(guò)渡層和內(nèi)部基體。其中,表面光亮層的深度約1~2mm,中間黑色過(guò)渡層深度約3~4mm,見圖9。對(duì)表面光亮層和黑色過(guò)渡層進(jìn)行元素能譜分析,發(fā)現(xiàn)表層金屬中氮含量明顯高于正常金屬的范圍,見圖10。

因此,分析認(rèn)為,斷軸表層進(jìn)行了滲氮處理。圖9斷軸端面腐蝕后宏觀形貌圖10表層金屬能譜檢測(cè)譜1.4硬度檢驗(yàn)應(yīng)用顯微硬度計(jì)對(duì)圖9中的表面光亮層進(jìn)行硬度測(cè)試,平均硬度值為220HB(約20.0HRC)。應(yīng)用洛氏硬度計(jì)沿直徑方向進(jìn)行硬度測(cè)試(見·24·石油化工設(shè)備技術(shù)2019年萬(wàn)方數(shù)據(jù)圖11,其中1、5、6、9號(hào)測(cè)點(diǎn)為黑色過(guò)渡層部位),測(cè)試結(jié)果見表2。

從表2中可以看出,斷軸過(guò)渡層的硬度值顯著高于基體和表面光亮層,即表層附近的硬度梯度變化較大。圖11斷軸硬度檢驗(yàn)示意表2硬度檢測(cè)結(jié)果部位硬度值/HRC部位硬度值/HRC154.6652.7221.7720.8322.3821.0422.3954.9555.51.5金相檢驗(yàn)對(duì)斷軸端面取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),表面光亮層(即滲氮處理中的化合物層)分布有黑色點(diǎn)狀孔洞,按文獻(xiàn)【2】評(píng)級(jí),疏松等級(jí)為2~3級(jí),基本符合一般零件要求,見圖12~圖13。

圖12光亮層中夾雜物(100×,未腐蝕)圖13光亮層的組織(200×)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在表面化合物層和過(guò)渡層之間存在針狀的氮化物組織,見圖14~圖15。針狀的組織會(huì)使化合物層變得很脆,容易發(fā)生剝落,不符合零件滲氮的質(zhì)量要求。

圖14過(guò)渡層中針狀組織(200×)圖15過(guò)渡層中針狀組織(500×)同時(shí),金相檢驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)過(guò)渡層中靠近化合物層側(cè)存在環(huán)向和徑向的微裂紋,部分微裂紋已相互連接,見圖16~圖19。裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象,屬于表面滲氮處理中產(chǎn)生的剝離裂紋。圖16過(guò)渡層中的周向裂紋(50×)圖17過(guò)渡層中的周向裂紋(100×)在黑色過(guò)渡層中,存在著網(wǎng)狀的氮化物,按文獻(xiàn)【2】評(píng)級(jí),氮化物等級(jí)為2~3級(jí),基本符合第40卷第2期黃衛(wèi)東.泰興減速機(jī)高速軸斷裂原因分析·25·萬(wàn)方數(shù)據(jù)一般零件要求,見圖20~圖21。

圖18過(guò)渡層中的徑向裂紋(50×)圖19過(guò)渡層中的徑向裂紋(200×)圖20過(guò)渡層中的網(wǎng)狀組織(100×)圖21過(guò)渡層中的網(wǎng)狀組織(200×)斷軸中部及芯部的基體組織為回火索氏體,組織較均勻,局部有少量夾雜物,見圖22~圖23。圖22斷軸中部組織(200×)圖23斷軸芯部組織(200×)1.6力學(xué)性能試驗(yàn)將斷軸去除表面的滲氮層,沿軸向取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果見表3。

由表3可見,斷軸的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中關(guān)于37SiMn2MoV的規(guī)定。表3力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果試樣抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)度σs/MPa延伸率,％1號(hào)試樣90370019.52號(hào)試樣86170021.53號(hào)試樣86668921.5GB/T3077—1999規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍≥980≥835≥121.7運(yùn)行工況分析查閱減速機(jī)的運(yùn)行檢修記錄,此次斷裂的高速軸為減速機(jī)原裝齒輪軸,斷裂前已累計(jì)運(yùn)行5.5萬(wàn)h。

由高速軸的轉(zhuǎn)速1000r/min計(jì)算,得出斷軸斷裂前的累計(jì)循環(huán)次數(shù)為3.3×109次。2012年11月對(duì)泰興減速機(jī)進(jìn)行檢修,更換了3號(hào)瓦側(cè)軸承;2014年5月檢修,更換了4號(hào)瓦側(cè)軸承;2017年10月檢修,將軸承全部更換,但歷次檢修均未對(duì)斷軸進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

查閱減速機(jī)2017年5月~11月的軸承振動(dòng)檢測(cè)記錄(車間自測(cè)),顯示其最大位移值為6×10－2mm(標(biāo)準(zhǔn)值8×10－2mm),未發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象。運(yùn)行期間,電機(jī)的電流值一直較為穩(wěn)定,減速機(jī)未出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。

2失效原因分析由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知,斷軸的化學(xué)成分、基體硬度符合設(shè)計(jì)要求。由于泰興減速機(jī)運(yùn)行中無(wú)電流過(guò)載和振動(dòng)異常等現(xiàn)象,且斷軸斷口的瞬斷區(qū)面積又較小,因此,可排除運(yùn)行中異常工況波動(dòng)引起軸斷裂的可能性。

(下轉(zhuǎn)第30頁(yè))·26·石油化工設(shè)備技術(shù)2019年萬(wàn)方數(shù)據(jù)工業(yè)應(yīng)用。在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)顯示,氣缸振動(dòng)情況良好,各列氣缸在x－y－z方向(往復(fù)方向－曲軸軸線方向－垂直于前兩個(gè)方向的方向)上振動(dòng)最大值6.2mm/s,最小值2.1mm/s,遠(yuǎn)優(yōu)于GB/T7777—2003規(guī)定的振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)值【8】。

6M(HE)80壓縮機(jī)的流量、壓力/溫度、機(jī)身和軸承振動(dòng)、軸瓦溫度等各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均正常,電機(jī)電流波動(dòng)較小,滿足重整裝置工藝生產(chǎn)需求,達(dá)到了預(yù)期的研發(fā)目標(biāo),獲得用戶和專家認(rèn)可,并于2016年10月通過(guò)了新產(chǎn)品鑒定。2007年,在由中石化洛陽(yáng)工程有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的大連石化360萬(wàn)t/a加氫裂化裝置中,新氫壓縮機(jī)組進(jìn)口,采用了最大允許活塞力為80t的6列往復(fù)式壓縮機(jī)組;據(jù)了解,在澳大利亞BP公司的一套連續(xù)重整裝置中,采用了最大允許活塞力為82.5t的6列往復(fù)式氫氣壓縮機(jī);在印尼的一套加氫裂化裝置中,采用了最大允許活塞力125t的6列往復(fù)式新氫壓縮機(jī)。可見,大型6列往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的應(yīng)用尚有很大探索空間。4結(jié)語(yǔ)6M(HE)80型壓縮機(jī)的研發(fā),實(shí)現(xiàn)了大型6列往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的獨(dú)立自主國(guó)產(chǎn)化,運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段,憑借關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)內(nèi)大型往復(fù)式壓縮機(jī)傳統(tǒng)技術(shù)的突破。該項(xiàng)目滿足工藝操作要求,達(dá)到了預(yù)期的研發(fā)目標(biāo)。該機(jī)型的研發(fā),為我國(guó)石化工業(yè)大型裝置中氫氣壓縮機(jī)的選型提供了新選項(xiàng),也為控制成本、提高效益、確定最優(yōu)的選型配置方案提供了更多選項(xiàng)。