火力發電作為重要的電力供應方式，其穩定性和可靠性對于整個電網的平穩運行至關重要[1-3]。皮帶給煤機作為火電機組的重要設備，在保障鍋爐穩定運行方面發揮著重要作用。然而，在實際運行過程中，皮帶給煤機驅動滾筒軸斷裂事故時有發生，嚴重影響了火電機組的正常運行，甚至可能導致重大安全事故[4-5]。 

某330 MW火電機組運行過程中皮帶給煤機驅動滾筒軸發生斷裂，導致機組限負荷運行，該滾筒軸的設計材料為35鋼，電機側直徑為60 mm，滾筒側直徑為70 mm。滾筒軸的加工工藝為：坯料→鍛造→正火處理→粗加工→調質處理→無損檢測→精加工。軸體質量滿足標準GB/T 10595—2017 《帶式輸送機》對滾筒軸的要求。筆者采用一系列理化檢驗方法對該電站鍋爐皮帶給煤機驅動滾筒軸斷裂原因進行了分析，并給出了有效改進措施，以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂驅動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過渡的變截面處，并未斷裂于電機側的鍵槽處，在變截面根部存在明顯的機械加工退刀槽，該部位屬于應力集中程度較重的區域；軸的斷口整體較為齊平，未見明顯的塑性變形，斷口整體分為3個較為明顯的區域，靠近表面的表層區域存在扭轉損傷形成的多處交割平臺，該區域存在較為嚴重的機械摩擦損傷，該表層區域為起始斷裂區；緊鄰表層存在呈整圈分布的斷裂面，斷裂面較為細膩，厚度約為12 mm，該區域為斷裂擴展區，該區域可以觀察到較為明顯的“海灘狀”輝紋形貌；其他中間大部分區域呈現較為粗糙的脆性斷裂形貌特征，為瞬斷區；軸的表面未見明顯的機械損傷及腐蝕損傷缺陷。 

圖  1  斷裂驅動滾筒軸的宏觀形貌

1.2   掃描電鏡（SEM）分析

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

圖  2  滾筒軸斷口的SEM形貌

1.3   化學成分分析

在滾筒軸上截取試樣，利用火花直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂滾筒軸中雜質元素S和P的含量均高于標準JB/T 1271—2014《交、直流電機軸鍛件 技術條件》對35號鋼的要求。 

1.4   金相檢驗

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

圖  3  滾筒軸試樣的拋光態形貌

采用4%（體積分數）的硝酸乙醇溶液對滾筒軸的拋光態試樣進行腐蝕，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，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狀鐵素體+索氏體+魏氏組織，晶粒度為7~7.5級；中心部位的組織為網狀鐵素體+索氏體+魏氏組織，晶粒度為5.5~6級，部分區域存在較為嚴重的帶狀偏析層，斷口部分區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   力學性能測試

在斷裂滾筒軸上截取試樣，對試樣進行常溫拉伸性能及沖擊性能測試，結果如表2所示。由表2可知：斷裂滾筒軸的強度及韌性等力學性能指標均低于GB/T 10595—2017《帶式輸送機》的要求。 

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗結果可知：該滾筒軸的化學成分中S和P元素的含量超標，過量雜質元素的存在會導致軸體材料中形成嚴重的非金屬夾雜物。滾筒軸的表層及中心部位的組織中均存在嚴重的網狀鐵素體+魏氏組織，部分區域存在較為嚴重的帶狀偏析層，同時，組織中還存在嚴重的硫化物類、氧化鋁類和硅酸鹽類非金屬夾雜物。說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題，導致成品軸的強度、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性，在軸承受循環扭轉載荷作用時，非金屬夾雜物會成為疲勞開裂的裂紋源，而軸心部的非金屬夾雜物、網狀鐵素體及粗大魏氏組織會進一步促進裂紋擴展，甚至導致材料發生沿晶脆性擴展斷裂[6-8]。 

皮帶給煤機驅動滾筒軸材料應選用潔凈度高的高級優質碳鋼或合金鋼，組織中不允許存在嚴重的非金屬夾雜物。同時，為了提高滾筒軸服役的強度和韌性，應對材料進行有效調質熱處理，且組織中不允許出現大量網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程中存在鍛造溫度偏高及冷卻速率偏慢等異常情況，且調質熱處理不到位，進而造成軸的強度和韌性不足。 

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械加工退刀槽，軸體變截面根部應進行圓滑過渡，同時不應存在退刀槽，以避免形成應力集中。在皮帶給煤機的啟停過程中，驅動滾筒軸會頻繁承受扭轉沖擊載荷的作用，當軸體上應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，會破壞軸體的連續性，在啟停過程中的扭轉沖擊載荷作用下，變截面退刀槽處萌生裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致軸體斷裂。 

3.   結論與建議

皮帶給煤機驅動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削退刀槽，增加了該部位的應力集中程度；軸的熱加工及熱處理不當、組織狀態異常，造成軸的強度和韌性不足，脆性較大；在運行過程中的循環扭轉載荷作用下，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展，最終導致滾筒軸斷裂。 

建議選擇熱加工及熱處理合格的高級優質結構鋼制作皮帶給煤機的驅動滾筒軸；同時，給煤機使用過程中應減少頻繁啟停，避免產生過載現象；定期進行滾筒軸的檢查和維護保養。

文章來源——材料與測試網