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泰興減速機專業生產廠家泰強減速機2019年9月22日訊 某熱電廠減速機的高速軸在運行中發生斷裂,通過對斷軸進行宏觀檢驗、化學成分分析、表層能譜分析、硬度檢驗、金相檢驗以及力學性能測試,并結合減速機的運行工況進行分析,結果表明,高速軸的制造質量不合格。
由于其表面滲氮層中存在大量微裂紋和針狀組織,在運行期間,微裂紋發生擴展,造成表層金屬剝落,形成應力集中,最終導致高速軸出現疲勞斷裂。針對斷裂的原因,提出了相應的改進建議。關鍵詞: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號鍋爐的乙側磨煤機正常運行電流為72.45A,在運行過程中電流瞬間降低至34.31A,經現場查看發現,乙側磨煤機的電機仍在運行,但磨煤機的泰興減速機未運轉,確認減速機的高速軸已經發生斷裂(位于3瓦軸承側)。高速軸為減速機原裝的齒輪軸,于2008年投用,材質為37SiMn2MoV。
為查找高速軸的斷裂原因,進行了以下檢驗分析。1檢驗與分析1.1宏觀檢驗高速軸斷裂于減速機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,可區分出裂紋源區、擴展區和瞬斷區,裂紋源區有貝殼狀條紋,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明顯過載現象,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應,剝離層厚度為1~2mm,見圖7~圖8。
圖1齒輪側斷軸圖2軸承側斷軸圖3齒輪側斷口1.2化學成分分析在斷軸芯部取樣進行化學成分分析,結果(見表1)顯示,斷軸的化學成分符合設計標準GB/T3077—1999《合金結構鋼》中關于37SiMn2MoV的規定。動設備石油化工設備技術,2019,40(2)·23·Petro-ChemicalEquipmentTechnology萬方數據圖4軸承側斷口圖5裂紋源區的放射狀條紋(6.5×)圖6擴展區的條帶形貌(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,對斷軸表面取樣進行碳含量檢測,結果顯示,其表面含碳量為0.26％,明顯低于基體的碳含量0.39％。表1斷軸芯部化學成分分析結果w,％元素檢測結果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行了化學處理。
對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個不同的顏色區域:表面光亮層、中間黑色過渡層和內部基體。其中,表面光亮層的深度約1~2mm,中間黑色過渡層深度約3~4mm,見圖9。對表面光亮層和黑色過渡層進行元素能譜分析,發現表層金屬中氮含量明顯高于正常金屬的范圍,見圖10。
因此,分析認為,斷軸表層進行了滲氮處理。圖9斷軸端面腐蝕后宏觀形貌圖10表層金屬能譜檢測譜1.4硬度檢驗應用顯微硬度計對圖9中的表面光亮層進行硬度測試,平均硬度值為220HB(約20.0HRC)。應用洛氏硬度計沿直徑方向進行硬度測試(見·24·石油化工設備技術2019年萬方數據圖11,其中1、5、6、9號測點為黑色過渡層部位),測試結果見表2。
從表2中可以看出,斷軸過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斷軸硬度檢驗示意表2硬度檢測結果部位硬度值/HRC部位硬度值/HRC154.6652.7221.7720.8322.3821.0422.3954.9555.51.5金相檢驗對斷軸端面取樣進行金相檢驗,表面光亮層(即滲氮處理中的化合物層)分布有黑色點狀孔洞,按文獻【2】評級,疏松等級為2~3級,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×)金相檢驗發現,在表面化合物層和過渡層之間存在針狀的氮化物組織,見圖14~圖15。針狀的組織會使化合物層變得很脆,容易發生剝落,不符合零件滲氮的質量要求。
圖14過渡層中針狀組織(200×)圖15過渡層中針狀組織(500×)同時,金相檢驗還發現過渡層中靠近化合物層側存在環向和徑向的微裂紋,部分微裂紋已相互連接,見圖16~圖19。裂紋兩側無脫碳現象,屬于表面滲氮處理中產生的剝離裂紋。圖16過渡層中的周向裂紋(50×)圖17過渡層中的周向裂紋(100×)在黑色過渡層中,存在著網狀的氮化物,按文獻【2】評級,氮化物等級為2~3級,基本符合第40卷第2期黃衛東.泰興減速機高速軸斷裂原因分析·25·萬方數據一般零件要求,見圖20~圖21。
圖18過渡層中的徑向裂紋(50×)圖19過渡層中的徑向裂紋(200×)圖20過渡層中的網狀組織(100×)圖21過渡層中的網狀組織(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力學性能試驗將斷軸去除表面的滲氮層,沿軸向取樣進行力學性能測試,結果見表3。
由表3可見,斷軸的抗拉強度、屈服強度均低于設計標準GB/T3077—1999《合金結構鋼》中關于37SiMn2MoV的規定。表3力學性能試驗結果試樣抗拉強度σb/MPa屈服強度σs/MPa延伸率,％1號試樣90370019.52號試樣86170021.53號試樣86668921.5GB/T3077—1999規定的標準范圍≥980≥835≥121.7運行工況分析查閱減速機的運行檢修記錄,此次斷裂的高速軸為減速機原裝齒輪軸,斷裂前已累計運行5.5萬h。
由高速軸的轉速1000r/min計算,得出斷軸斷裂前的累計循環次數為3.3×109次。2012年11月對泰興減速機進行檢修,更換了3號瓦側軸承;2014年5月檢修,更換了4號瓦側軸承;2017年10月檢修,將軸承全部更換,但歷次檢修均未對斷軸進行無損檢測。
查閱減速機2017年5月~11月的軸承振動檢測記錄(車間自測),顯示其最大位移值為6×10－2mm(標準值8×10－2mm),未發現振動超標現象。運行期間,電機的電流值一直較為穩定,減速機未出現過載現象。
2失效原因分析由上述檢驗結果可知,斷軸的化學成分、基體硬度符合設計要求。由于泰興減速機運行中無電流過載和振動異常等現象,且斷軸斷口的瞬斷區面積又較小,因此,可排除運行中異常工況波動引起軸斷裂的可能性。
(下轉第30頁)·26·石油化工設備技術2019年萬方數據工業應用。在壓縮機運行過程中,現場采集的數據顯示,氣缸振動情況良好,各列氣缸在x－y－z方向(往復方向－曲軸軸線方向－垂直于前兩個方向的方向)上振動最大值6.2mm/s,最小值2.1mm/s,遠優于GB/T7777—2003規定的振動烈度標準值【8】。
6M(HE)80壓縮機的流量、壓力/溫度、機身和軸承振動、軸瓦溫度等各項運行指標均正常,電機電流波動較小,滿足重整裝置工藝生產需求,達到了預期的研發目標,獲得用戶和專家認可,并于2016年10月通過了新產品鑒定。2007年,在由中石化洛陽工程有限公司負責設計的大連石化360萬t/a加氫裂化裝置中,新氫壓縮機組進口,采用了最大允許活塞力為80t的6列往復式壓縮機組;據了解,在澳大利亞BP公司的一套連續重整裝置中,采用了最大允許活塞力為82.5t的6列往復式氫氣壓縮機;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列往復式新氫壓縮機。可見,大型6列往復式氫氣壓縮機的應用尚有很大探索空間。4結語6M(HE)80型壓縮機的研發,實現了大型6列往復式氫氣壓縮機的獨立自主國產化,運用了計算機輔助設計等現代設計手段,憑借關鍵技術實現了對國內大型往復式壓縮機傳統技術的突破。該項目滿足工藝操作要求,達到了預期的研發目標。該機型的研發,為我國石化工業大型裝置中氫氣壓縮機的選型提供了新選項,也為控制成本、提高效益、確定最優的選型配置方案提供了更多選項。
