燃煤電廠磨煤機是鍋爐中的重要輔機設(shè)備，現(xiàn)階段火電機組每臺鍋爐均配有若干臺中速磨煤機，為鍋爐的正常運行提供煤粉燃料。磨煤機具有煤質(zhì)適應(yīng)性廣、研磨件壽命長、電耗低等優(yōu)點，在現(xiàn)役燃煤機組中應(yīng)用廣泛。機組運行時，原煤通過上方給煤機進(jìn)入磨煤機，經(jīng)過磨盤與磨輥碾壓被研磨成煤粉。冷、熱一次風(fēng)混合后進(jìn)入磨煤機，對原煤進(jìn)行干燥，然后一次風(fēng)將合格的煤粉吹出分離器，煤粉通過燃燒器進(jìn)入鍋爐爐膛燃燒[1-2]。

某燃煤電廠1號爐B磨煤機1號磨輥軸承溫度由77.74 ℃持續(xù)上升至88.79 ℃，將B磨煤機緊急停運。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)，1號磨輥支架與磨輥軸連接的3根螺栓中部全部發(fā)生斷裂。磨輥軸與磨輥支架間發(fā)生約120 mm的相對位移，受位移影響，磨輥軸承失去密封效果，煤粉大量進(jìn)入磨輥內(nèi)部，導(dǎo)致磨輥軸承損壞。

1號鍋爐為330 MW燃煤機組，每臺鍋爐配有5臺中速磨煤機。故障磨煤機為MP200B型輥盤式磨煤機，該磨煤機具有3個獨立固定磨輥的外加力型輥盤式磨機，3個磨輥沿圓周方向120°均勻分布于磨盤輥道上，磨輥向磨煤機中心內(nèi)部呈一定傾角。斷裂的3根螺栓是磨輥支架與磨輥軸相連的固定螺栓，螺栓沿磨輥軸平面間隔120°布置（見圖1），承受了磨輥的自重、碾磨壓力及磨輥導(dǎo)向作用產(chǎn)生的反作用力。截至螺栓斷裂，螺栓累計服役時長約44 622.17 h。筆者采用一系列理化檢驗方法對該螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。

圖  1  磨輥軸固定螺栓外觀

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對3根斷裂螺栓進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：1~3號螺栓均斷裂于螺栓半高處，螺栓的螺紋表面由牙頂向牙底平滑過渡，無明顯的尖銳區(qū)域；3號螺栓有2處斷裂，螺栓頭部與螺桿過渡處大部分發(fā)生開裂，僅有少部分連接；對3號螺栓中部斷面和頭部斷面進(jìn)行觀察，可見螺栓斷口較為平整，斷面與螺栓軸向垂直，斷裂源處可見多個疲勞臺階，裂紋擴展區(qū)存在明顯“貝殼紋”形貌。

圖  2  3根斷裂螺栓的宏觀形貌

1.2   金相檢驗

利用光學(xué)顯微鏡對3號螺栓進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷裂螺栓未見明顯全脫碳層，螺紋牙底附近組織為細(xì)小的回火索氏體，螺栓心部組織為鐵素體+回火索氏體，滿足技術(shù)要求。

圖  3  3號螺栓的顯微組織形貌

1.3   化學(xué)成分分析

利用直讀光譜儀對3號螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：3號螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的要求。

1.4   掃描電鏡（SEM）分析

對3號螺栓進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：螺栓裂紋源位于螺栓牙底處，有多個疲勞臺階，裂紋擴展區(qū)呈疲勞條帶微觀形貌特征，在高倍下可觀察到大致平行的二次裂紋。

圖  4  3號螺栓的SEM形貌

1.5   硬度測試

按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，利用顯微維氏硬度計對3號螺栓進(jìn)行維氏硬度測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：3號螺栓1/2半徑區(qū)域內(nèi)的未淬透區(qū)域硬度為300 HV，螺紋牙底附近硬度達(dá)到367 HV，高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知：3號螺栓斷口較為平整，斷面與螺栓軸向垂直；斷裂源位于螺紋牙底處及螺栓頭部與螺桿過渡處，可見疲勞臺階，裂紋擴展區(qū)存在明顯貝殼紋形貌，呈典型多源疲勞斷裂特征[3]；斷裂螺栓的化學(xué)成分無異常；斷裂螺栓組織中未見明顯全脫碳層，螺栓螺紋牙底附近組織為細(xì)小的回火索氏體，螺栓心部組織為鐵素體+回火索氏體，螺栓表面在熱處理時存在未完全淬透現(xiàn)象。裂紋源位于螺栓牙底處，存在多個疲勞臺階，裂紋擴展區(qū)呈疲勞條帶微觀形貌，可觀察到大致平行的二次裂紋，二次裂紋間距較小，呈低應(yīng)力高周疲勞形貌特征。斷裂螺栓淬透區(qū)域與未淬透區(qū)域的硬度差異較大，螺紋牙底淬透區(qū)域硬度為367 HV，高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

螺栓沿變截面處螺紋牙底及螺栓頭部與螺桿過渡處存在較大應(yīng)力集中，且螺栓螺紋牙底處硬度偏高，組織不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其抗疲勞性能降低，螺栓在服役期間受到磨輥運行過程產(chǎn)生的長期循環(huán)載荷作用，沿應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋，運行中裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

其他磨煤機磨輥軸固定螺栓在同樣的運行工況和運行時間內(nèi)未出現(xiàn)斷裂故障。據(jù)此分析，引起螺栓疲勞斷裂的原因還有：預(yù)緊力大小設(shè)置不當(dāng)，較大的預(yù)緊力易產(chǎn)生多源疲勞，較小的預(yù)緊力使得螺栓松動，導(dǎo)致螺栓斷裂；防止螺栓松動的措施不當(dāng)，產(chǎn)生疲勞，造成螺栓斷裂；使用工況不能滿足設(shè)計要求[4]。

2.1   螺栓預(yù)緊力分析

螺栓預(yù)緊力是為了增強部件間連接的可靠性和緊密性，防止連接松動。采用螺栓連接時，為保證被連接部件之間的可靠性和緊密性，需要在被連接部件之間施加足夠大的軸向夾緊力，軸向夾緊力與防松性能成正比。當(dāng)作用在緊固件上的橫向應(yīng)力超過螺紋副的摩擦力時，螺紋連接會發(fā)生松動。但預(yù)緊力過大會造成支撐面壓潰，導(dǎo)致軸向力衰減，一旦預(yù)緊力超過螺栓的屈服極限，螺栓會發(fā)生斷裂。因此，合適的預(yù)緊力是螺紋連接的重要影響因素[5]。經(jīng)了解，磨煤機實際檢修時，通常采用普通扳手緊固螺栓，緊固力的大小并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此可以確定螺栓預(yù)緊力超出扭矩或未達(dá)到預(yù)緊力的現(xiàn)象都可能存在。未采用扭力扳手對螺栓進(jìn)行緊固也是裝配工藝不達(dá)標(biāo)的一個原因。

2.2   部件裝配分析

螺栓通過螺紋的方式連接部件，在被連接件上施加軸向緊固力，通過螺紋之間的摩擦力防止螺紋松脫，達(dá)到緊固的目的。為了增強螺栓緊固件的防松性能，可以采取的措施主要有增加摩擦力防松、機械防松、破壞螺紋副關(guān)系防松3種方式[6]。磨煤機緊固螺栓穿過磨輥支架，通過螺紋與磨輥軸連接，磨輥軸連接處為盲孔結(jié)構(gòu)。在實際工作時，磨輥軸始終在振動工況下運行，螺栓受交變載荷、振動、工作溫度等因素的影響，夾緊力隨使用周期的延長而減小，螺栓不可避免地會產(chǎn)生松動。磨輥每年需進(jìn)行堆焊加工，螺栓重復(fù)拆裝且長期使用會對螺紋造成損傷，影響了螺栓連接的配合間隙。原圖紙設(shè)計裝配使用平墊圈，平墊圈不具有防松功能[7]，會造成螺栓松動。

2.3   運行環(huán)境分析

磨煤機運行時，原煤干燥工作溫度由一次風(fēng)獲得[8]。實時監(jiān)控顯示機組高、低載荷時磨煤機入口溫度為242~272 ℃。根據(jù)GB/T 3098.1—2010，當(dāng)環(huán)境溫度超過150 ℃，最大達(dá)到300 ℃時，隨著溫度的不斷升高，應(yīng)力松弛將伴隨夾緊力的損失。螺栓緊固件由于熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生不同的熱膨脹變形，產(chǎn)生相對運動，造成螺栓連接副旋轉(zhuǎn)松動[9]。對磨煤機內(nèi)部各區(qū)域溫度進(jìn)行核查，顯示磨輥軸承保護溫度報警上限為90 ℃，說明與之相連的螺栓所處位置溫度未超出螺栓溫度使用范圍。因此，環(huán)境溫度對螺栓松動不構(gòu)成影響。

3.   結(jié)論及建議

磨煤機磨輥螺栓斷裂的主要原因為：在服役期間，磨輥產(chǎn)生長期循環(huán)載荷，使螺栓沿變截面處螺紋牙底及螺栓頭部與螺桿過渡處產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，且螺栓螺紋牙底處硬度偏高，降低了其抗疲勞性能，裂紋產(chǎn)生時螺栓所受的力較大，在工作應(yīng)力和過大的預(yù)緊力作用下，螺栓產(chǎn)生微裂紋，裂紋不斷擴展，進(jìn)一步引起螺栓松動，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，最終螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

建議裝配螺栓時，用扭力扳手調(diào)整螺栓軸向預(yù)緊力，防止因軸力不足而引起螺栓松動，導(dǎo)致螺栓疲勞載荷增大。螺栓拆裝需符合工藝要求，對連接范圍內(nèi)兩部件的接觸面進(jìn)行表面處理，增大接觸面的摩擦系數(shù)，檢查螺栓孔的使用情況，發(fā)現(xiàn)內(nèi)螺紋配合間隙超標(biāo)時，應(yīng)及時修復(fù)或更換。提高螺栓機械加工精度，減小螺紋表面粗糙度對疲勞壽命的影響，增大螺紋根部的圓弧，降低應(yīng)力集中系數(shù)，以提高螺栓的疲勞強度。循環(huán)振動工況下，可嘗試使用防松效果較好的墊圈。嚴(yán)禁使用存在變形、螺牙損壞等缺陷的螺栓。加強設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，運行中監(jiān)視磨煤機振動、軸承溫度、電流等參數(shù)的變化，以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。建議掌握磨煤機的運行狀況，制定科學(xué)合理的螺栓更換周期。

文章來源——材料與測試網(wǎng)