火力發(fā)電作為重要的電力供應(yīng)方式，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。皮帶給煤機(jī)作為火電機(jī)組的重要設(shè)備，在保障鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。然而，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，皮帶給煤機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒軸斷裂事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了火電機(jī)組的正常運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致重大安全事故[4-5]。 

某330 MW火電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中皮帶給煤機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒軸發(fā)生斷裂，導(dǎo)致機(jī)組限負(fù)荷運(yùn)行，該滾筒軸的設(shè)計(jì)材料為35鋼，電機(jī)側(cè)直徑為60 mm，滾筒側(cè)直徑為70 mm。滾筒軸的加工工藝為：坯料→鍛造→正火處理→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→無(wú)損檢測(cè)→精加工。軸體質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10595—2017 《帶式輸送機(jī)》對(duì)滾筒軸的要求。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該電站鍋爐皮帶給煤機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒軸斷裂原因進(jìn)行了分析，并給出了有效改進(jìn)措施，以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

斷裂驅(qū)動(dòng)滾筒軸的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：滾筒軸斷裂于直徑為70 mm、向直徑為60 mm過(guò)渡的變截面處，并未斷裂于電機(jī)側(cè)的鍵槽處，在變截面根部存在明顯的機(jī)械加工退刀槽，該部位屬于應(yīng)力集中程度較重的區(qū)域；軸的斷口整體較為齊平，未見(jiàn)明顯的塑性變形，斷口整體分為3個(gè)較為明顯的區(qū)域，靠近表面的表層區(qū)域存在扭轉(zhuǎn)損傷形成的多處交割平臺(tái)，該區(qū)域存在較為嚴(yán)重的機(jī)械摩擦損傷，該表層區(qū)域?yàn)槠鹗紨嗔褏^(qū)；緊鄰表層存在呈整圈分布的斷裂面，斷裂面較為細(xì)膩，厚度約為12 mm，該區(qū)域?yàn)閿嗔褦U(kuò)展區(qū)，該區(qū)域可以觀察到較為明顯的“海灘狀”輝紋形貌；其他中間大部分區(qū)域呈現(xiàn)較為粗糙的脆性斷裂形貌特征，為瞬斷區(qū)；軸的表面未見(jiàn)明顯的機(jī)械損傷及腐蝕損傷缺陷。 

圖  1  斷裂驅(qū)動(dòng)滾筒軸的宏觀形貌

1.2   掃描電鏡（SEM）分析

將滾筒軸的斷口進(jìn)行超聲波清洗后，利用掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：盡管斷口表層機(jī)械摩擦損傷較為嚴(yán)重，但在表層區(qū)域仍可觀察到較大尺寸的非金屬夾雜物，夾雜物會(huì)導(dǎo)致材料形成空腔，破壞軸表層的完整性，成為裂紋源；擴(kuò)展區(qū)可觀察到典型的“海灘狀”互相平行的疲勞條帶，從疲勞條帶的擴(kuò)展及收斂方向可觀察到起裂區(qū)位于軸體的表層，且存在多處起裂區(qū)；瞬斷區(qū)呈典型的脆性解理斷裂特征，局部有沿晶開(kāi)裂特征，并伴有大量二次裂紋。 

圖  2  滾筒軸斷口的SEM形貌

1.3   化學(xué)成分分析

在滾筒軸上截取試樣，利用火花直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂滾筒軸中雜質(zhì)元素S和P的含量均高于標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1271—2014《交、直流電機(jī)軸鍛件 技術(shù)條件》對(duì)35號(hào)鋼的要求。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在斷裂滾筒軸的斷裂部位截取金相試樣，對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。試樣的拋光態(tài)形貌如圖3所示。由圖3可知：滾筒軸的基體組織中存在粗系3級(jí)的硫化物類(lèi)（A類(lèi)）、氧化鋁類(lèi)（B類(lèi)）及硅酸鹽類(lèi)（C類(lèi)）非金屬夾雜物；斷口上分布有大量沿各個(gè)方向分布的非金屬夾雜物，不符合技術(shù)要求。 

圖  3  滾筒軸試樣的拋光態(tài)形貌

采用4%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸乙醇溶液對(duì)滾筒軸的拋光態(tài)試樣進(jìn)行腐蝕，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，試樣的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：滾筒軸軸體表層的組織為網(wǎng)狀鐵素體+索氏體+魏氏組織，晶粒度為7~7.5級(jí)；中心部位的組織為網(wǎng)狀鐵素體+索氏體+魏氏組織，晶粒度為5.5~6級(jí)，部分區(qū)域存在較為嚴(yán)重的帶狀偏析層，斷口部分區(qū)域沿粗大魏氏組織晶粒的晶界呈沿晶狀分布。 

圖  4  滾筒軸試樣的微觀形貌

1.5   力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂滾筒軸上截取試樣，對(duì)試樣進(jìn)行常溫拉伸性能及沖擊性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂滾筒軸的強(qiáng)度及韌性等力學(xué)性能指標(biāo)均低于GB/T 10595—2017《帶式輸送機(jī)》的要求。 

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該滾筒軸的化學(xué)成分中S和P元素的含量超標(biāo)，過(guò)量雜質(zhì)元素的存在會(huì)導(dǎo)致軸體材料中形成嚴(yán)重的非金屬夾雜物。滾筒軸的表層及中心部位的組織中均存在嚴(yán)重的網(wǎng)狀鐵素體+魏氏組織，部分區(qū)域存在較為嚴(yán)重的帶狀偏析層，同時(shí)，組織中還存在嚴(yán)重的硫化物類(lèi)、氧化鋁類(lèi)和硅酸鹽類(lèi)非金屬夾雜物。說(shuō)明軸材料的冶煉工藝、熱加工工藝及熱處理工藝等均存在問(wèn)題，導(dǎo)致成品軸的強(qiáng)度、塑性及韌性均較差。 

軸體表層組織中大量非金屬夾雜物的存在破壞了基體的連續(xù)性，在軸承受循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷作用時(shí)，非金屬夾雜物會(huì)成為疲勞開(kāi)裂的裂紋源，而軸心部的非金屬夾雜物、網(wǎng)狀鐵素體及粗大魏氏組織會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，甚至導(dǎo)致材料發(fā)生沿晶脆性擴(kuò)展斷裂[6-8]。 

皮帶給煤機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒軸材料應(yīng)選用潔凈度高的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼，組織中不允許存在嚴(yán)重的非金屬夾雜物。同時(shí)，為了提高滾筒軸服役的強(qiáng)度和韌性，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行有效調(diào)質(zhì)熱處理，且組織中不允許出現(xiàn)大量網(wǎng)狀鐵素體和粗大魏氏組織。該斷裂滾筒軸在鍛造等熱加工過(guò)程中存在鍛造溫度偏高及冷卻速率偏慢等異常情況，且調(diào)質(zhì)熱處理不到位，進(jìn)而造成軸的強(qiáng)度和韌性不足。 

滾筒軸斷裂于直徑由70 mm向60 mm的變截面處，在變截面的根部存在明顯的機(jī)械加工退刀槽，軸體變截面根部應(yīng)進(jìn)行圓滑過(guò)渡，同時(shí)不應(yīng)存在退刀槽，以避免形成應(yīng)力集中。在皮帶給煤機(jī)的啟停過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)滾筒軸會(huì)頻繁承受扭轉(zhuǎn)沖擊載荷的作用，當(dāng)軸體上應(yīng)力集中的變截面部位存在退刀槽等加工缺陷，及表層存在較大尺寸的非金屬夾雜物時(shí)，會(huì)破壞軸體的連續(xù)性，在啟停過(guò)程中的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷作用下，變截面退刀槽處萌生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軸體斷裂。 

3.   結(jié)論與建議

皮帶給煤機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒軸的非金屬夾雜物較多，增大了軸材料的脆性；滾筒軸變截面處根部存在車(chē)削退刀槽，增加了該部位的應(yīng)力集中程度；軸的熱加工及熱處理不當(dāng)、組織狀態(tài)異常，造成軸的強(qiáng)度和韌性不足，脆性較大；在運(yùn)行過(guò)程中的循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷作用下，變截面退刀槽處表層夾雜物部位萌生裂紋，裂紋在脆性組織中快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致滾筒軸斷裂。 

建議選擇熱加工及熱處理合格的高級(jí)優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼制作皮帶給煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)滾筒軸；同時(shí)，給煤機(jī)使用過(guò)程中應(yīng)減少頻繁啟停，避免產(chǎn)生過(guò)載現(xiàn)象；定期進(jìn)行滾筒軸的檢查和維護(hù)保養(yǎng)。

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