火力發電廠撈渣機的主要作用是及時排出鍋爐燃燒產生的爐渣[1]。鏈條是撈渣機的重要部件之一,在服役過程中,鏈條長期處于高載荷運行狀態,且鏈環之間會發生碰撞、摩擦,因此要求其具有較高的抗拉強度,較好的韌性及耐磨性能[2-3],撈渣機鏈條斷裂會造成鍋爐非計劃停運,影響鍋爐的安全運行[4]。

某超超臨界鍋爐撈渣機鏈條多次出現斷裂現象。鏈條材料為14CrNiMo5鋼,規格為30 mm×108 mm(直徑×長度),表面經滲碳處理,鏈條剛投入運行14個月。筆者對斷裂的鏈條(編號為1號)和同廠家生產的相同材料、不同批次的3號機組未斷裂鏈條(編號為2號)進行了一系列理化檢驗分析,查明了鏈條斷裂的原因,以避免該類問題再次發生。

1. 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

1號和2號鏈條的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂鏈條斷口位于一側直邊中間部位,斷面基本與鏈條軸向垂直,未見明顯塑性變形,呈脆性斷裂特征,內弧側局部存在磕碰破損；未斷裂鏈條表面存在明顯氧化腐蝕產物,未見明顯異常。

圖 11號和2號鏈條的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

利用直讀光譜儀對1號和2號鏈條進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：1號和2號鏈條的C元素含量超出EN 10084：2008 《表面硬化鋼(滲碳鋼)交貨技術條件》對14CrNiMo5鋼的要求,Cr、Mo元素含量低于EN 10084：2008對14CrNiMo5鋼的要求。

1.3 力學性能測試

分別利用萬能試驗機、布氏硬度計、維氏硬度計、擺錘式沖擊試驗機對1號和2號鏈條的室溫拉伸性能、硬度、沖擊性能及淬硬層(滲碳淬火硬化層)深度進行測試。1號和2號鏈條的力學性能測試結果如表2所示,受鏈條尺寸限制,板狀拉伸試樣平行長度不足以夾持引伸計,因此不對試樣的屈服強度、斷后伸長率進行評定。由表2可知：1號和2號鏈條室溫沖擊吸收能量分別為35.5 J和38.5 J,具有一定的韌性儲備；1號和2號鏈條的抗拉強度相近；1號鏈條基體硬度為393～425 HBW,2號鏈條基體硬度為410～423 HBW,兩根鏈條表面硬度分別為63.5 HRC和64.9 HRC,均符合DL/T 2359—2021 《刮板撈渣機 技術規范》的要求(58～65 HRC)。

1號和2號鏈條縱截面硬度分布如圖2,3所示。由圖2,3可知：1號鏈條滲碳層深度約為1.37 mm,2號鏈條滲碳層深度約為1.49 mm,均低于DL/T 2359—2021的要求(≥1.9 mm),其原因為鏈條中Cr、Mo元素含量偏低,導致鏈條的淬透性較差。

圖 21號鏈條縱截面硬度分布

圖 32號鏈條縱截面硬度分布

1.4 金相檢驗

采用光學顯微鏡對1號鏈條的裂紋處進行觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：1號鏈條外弧側外壁存在向內沿晶擴展裂紋,裂紋源側存在向內擴展的穿晶裂紋,裂紋源對側存在向內擴展的穿晶裂紋及沿晶裂紋,斷面存在向內擴展穿晶微裂紋。

圖 41號鏈條裂紋處的微觀形貌

采用光學顯微鏡對1號和2號鏈條的淬硬層進行微觀觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：1號和2號鏈條的淬硬層均未見明顯異常。

圖 51號和2號鏈條淬硬層微觀形貌

1號和2號鏈條中夾雜物的微觀形貌如圖6所示。由圖6可知：1號鏈條邊部夾雜物為D類粗系2級、細系1級,中部夾雜物為D類粗系2.5級、細系1級,心部夾雜物為D類粗系2級、細系1級；2號鏈條邊部夾雜物為D類粗系1.5級、細系1級,中部夾雜物為D類粗系1.5級、細系1級,心部夾雜物為D類粗系1.5級、細系1級。

圖 61號和2號鏈條中夾雜物的微觀形貌

1號和2號鏈條的顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：1號鏈條邊部、中部、心部組織均為淬火馬氏體；2號鏈條邊部、中部、心部組織均為淬火馬氏體,1號和2號鏈條的組織應為回火馬氏體,均存在異常,表明未對1號和2號鏈條進行有效回火處理。

圖 71號和2號鏈條的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

在1號鏈條的斷面上取樣,將試樣置于SEM下觀察,分析位置如圖8所示,分析結果如圖9所示。由圖9可知：1號鏈條邊緣可見約1.5 mm環形帶,為細瓷狀斷口,呈沿晶斷裂特征形貌；心部裂紋呈放射狀花樣,由裂紋源向對側近似平行擴展,基體呈準解理特征形貌。

圖 81號鏈條斷面試樣SEM分析位置示意

圖 91號鏈條斷口SEM形貌

2. 綜合分析

1號鏈條一側直邊中部發生斷裂現象,斷面平齊,呈脆性斷裂特征形貌。鏈條斷面裂紋由裂紋源側淬硬層向對側近似平行擴展,基體呈準解理特征形貌,淬硬層呈明顯沿晶開裂形貌。1號和2號鏈條的顯微組織均為淬火馬氏體,且基體硬度偏高,表明未對鏈條進行有效回火,導致鏈條脆性過大,受外力沖擊時,鏈條易發生脆性斷裂。

化學成分分析結果表明,鏈條的C元素含量偏高,Cr、Mo元素含量偏低。力學性能測試結果顯示,1號和2號鏈條的抗拉強度、基體硬度及沖擊性能相差不大,且其表面硬度均符合標準要求,但是兩鏈條的淬硬層深度均低于DL/T 2359—2021的要求(≥1.9 mm)。金相檢驗結果顯示,1號鏈條外壁存在向內沿晶擴展的裂紋,其夾雜物含量高于2號鏈條。

1號鏈條斷口滲碳過渡層位置存在環向裂紋,在距離斷口約5 mm處的縱截面上未發現過多向內擴展裂紋,可見該環向裂紋并未貫穿整個鏈條環的滲碳過渡層。由此推斷,該鏈條局部的滲碳過渡層處存在環向裂紋。這種環向裂紋產生的原因可能為在制造生產過程中鏈條滲碳及熱處理等工藝不當。淬硬層存在明顯沿晶開裂情況,說明受異常沖擊載荷后,鏈條局部發生脆性開裂。鏈條內的夾雜物會破壞基體連續性,導致局部應力集中,從而加速裂紋萌生及擴展,降低鏈條的承載能力。

綜上所述,1號鏈條斷裂的主要原因是鏈條材料不符合標準要求,且未對鏈條進行有效回火,導致材料脆性較大,服役過程中,鏈條局部易萌生微裂紋,受外力沖擊時鏈條易發生脆性斷裂。同時,鏈條長期服役后表面淬硬層存在明顯沿晶開裂情況,且鏈條內部夾雜物過多,加速了裂紋的向內擴展進程,最終導致鏈條斷裂。

3. 結論與建議

1號鏈條曾受外力撞擊,斷口為脆性斷裂,淬硬層存在明顯沿晶開裂情況。鏈條Cr、Mo元素含量偏低,導致淬透性差,基體硬度較高；鏈條顯微組織為淬火馬氏體,表明未對鏈條進行有效回火處理,材料脆性過高,受外力沖擊時,材料發生脆性開裂。同時,外壁淬硬層存在明顯沿晶開裂情況以及鏈條內部夾雜物過多會加速裂紋向內擴展進程,最終導致鏈條斷裂。

建議在鏈條安裝前進行材料校核檢驗工作,避免使用材料化學成分、組織或性能不合格的部件；排查其他鏈條是否存在鏈條間活動卡澀或表面磨損嚴重的情況,對存在嚴重磨損的鏈條進行更換。

文章來源——材料與測試網