分享：中速磨煤機(jī)磨輥軸螺栓斷裂原因

燃煤電廠磨煤機(jī)是鍋爐中的重要輔機(jī)設(shè)備，現(xiàn)階段火電機(jī)組每臺(tái)鍋爐均配有若干臺(tái)中速磨煤機(jī)，為鍋爐的正常運(yùn)行提供煤粉燃料。磨煤機(jī)具有煤質(zhì)適應(yīng)性廣、研磨件壽命長(zhǎng)、電耗低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)役燃煤機(jī)組中應(yīng)用廣泛。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，原煤通過(guò)上方給煤機(jī)進(jìn)入磨煤機(jī)，經(jīng)過(guò)磨盤(pán)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(jī)，對(duì)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(guò)燃燒器進(jìn)入鍋爐爐膛燃燒[1-2]。

某燃煤電廠1號(hào)爐B磨煤機(jī)1號(hào)磨輥軸承溫度由77.74 ℃持續(xù)上升至88.79 ℃，將B磨煤機(jī)緊急停運(yùn)。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)，1號(hào)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(duì)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(hào)鍋爐為330 MW燃煤機(jī)組，每臺(tái)鍋爐配有5臺(tái)中速磨煤機(jī)。故障磨煤機(jī)為MP200B型輥盤(pán)式磨煤機(jī)，該磨煤機(jī)具有3個(gè)獨(dú)立固定磨輥的外加力型輥盤(pán)式磨機(jī)，3個(gè)磨輥沿圓周方向120°均勻分布于磨盤(pán)輥道上，磨輥向磨煤機(jī)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(jiàn)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(jì)服役時(shí)長(zhǎng)約44 622.17 h。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

圖  1  磨輥軸固定螺栓外觀

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

對(duì)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(hào)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(guò)渡，無(wú)明顯的尖銳區(qū)域；3號(hào)螺栓有2處斷裂，螺栓頭部與螺桿過(guò)渡處大部分發(fā)生開(kāi)裂，僅有少部分連接；對(duì)3號(hào)螺栓中部斷面和頭部斷面進(jìn)行觀察，可見(jiàn)螺栓斷口較為平整，斷面與螺栓軸向垂直，斷裂源處可見(jiàn)多個(gè)疲勞臺(tái)階，裂紋擴(kuò)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(yàn)

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)3號(hào)螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷裂螺栓未見(jiàn)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(hào)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(duì)3號(hào)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(hào)螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對(duì)8.8級(jí)螺栓的要求。

1.4   掃描電鏡（SEM）分析

對(duì)3號(hào)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(gè)疲勞臺(tái)階，裂紋擴(kuò)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(hào)螺栓的SEM形貌

1.5   硬度測(cè)試

按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，利用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)3號(hào)螺栓進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：3號(hào)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(yàn)結(jié)果可知：3號(hào)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(guò)渡處，可見(jiàn)疲勞臺(tái)階，裂紋擴(kuò)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(wú)異常；斷裂螺栓組織中未見(jiàn)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(shí)存在未完全淬透現(xiàn)象。裂紋源位于螺栓牙底處，存在多個(gè)疲勞臺(tái)階，裂紋擴(kuò)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(guò)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(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的長(zhǎng)期循環(huán)載荷作用，沿應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋，運(yùn)行中裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

其他磨煤機(jī)磨輥軸固定螺栓在同樣的運(yùn)行工況和運(yùn)行時(shí)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(dòng)，導(dǎo)致螺栓斷裂；防止螺栓松動(dòng)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(jì)要求[4]。

2.1   螺栓預(yù)緊力分析

螺栓預(yù)緊力是為了增強(qiáng)部件間連接的可靠性和緊密性，防止連接松動(dòng)。采用螺栓連接時(shí)，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(guò)螺紋副的摩擦力時(shí)，螺紋連接會(huì)發(fā)生松動(dòng)。但預(yù)緊力過(guò)大會(huì)造成支撐面壓潰，導(dǎo)致軸向力衰減，一旦預(yù)緊力超過(guò)螺栓的屈服極限，螺栓會(huì)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(jī)實(shí)際檢修時(shí)，通常采用普通扳手緊固螺栓，緊固力的大小并無(wú)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(duì)螺栓進(jìn)行緊固也是裝配工藝不達(dá)標(biāo)的一個(gè)原因。

2.2   部件裝配分析

螺栓通過(guò)螺紋的方式連接部件，在被連接件上施加軸向緊固力，通過(guò)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(qiáng)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(jī)械防松、破壞螺紋副關(guān)系防松3種方式[6]。磨煤機(jī)緊固螺栓穿過(guò)磨輥支架，通過(guò)螺紋與磨輥軸連接，磨輥軸連接處為盲孔結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工作時(shí)，磨輥軸始終在振動(dòng)工況下運(yùn)行，螺栓受交變載荷、振動(dòng)、工作溫度等因素的影響，夾緊力隨使用周期的延長(zhǎng)而減小，螺栓不可避免地會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。磨輥每年需進(jìn)行堆焊加工，螺栓重復(fù)拆裝且長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)螺紋造成損傷，影響了螺栓連接的配合間隙。原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)裝配使用平墊圈，平墊圈不具有防松功能[7]，會(huì)造成螺栓松動(dòng)。

2.3   運(yùn)行環(huán)境分析

磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，原煤干燥工作溫度由一次風(fēng)獲得[8]。實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示機(jī)組高、低載荷時(shí)磨煤機(jī)入口溫度為242~272 ℃。根據(jù)GB/T 3098.1—2010，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)150 ℃，最大達(dá)到300 ℃時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，造成螺栓連接副旋轉(zhuǎn)松動(dòng)[9]。對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部各區(qū)域溫度進(jìn)行核查，顯示磨輥軸承保護(hù)溫度報(bào)警上限為90 ℃，說(shuō)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(duì)螺栓松動(dòng)不構(gòu)成影響。

3.   結(jié)論及建議

磨煤機(jī)磨輥螺栓斷裂的主要原因?yàn)椋涸诜燮陂g，磨輥產(chǎn)生長(zhǎng)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(guò)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(shí)螺栓所受的力較大，在工作應(yīng)力和過(guò)大的預(yù)緊力作用下，螺栓產(chǎn)生微裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)一步引起螺栓松動(dòng)，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(shí)，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(dòng)，導(dǎo)致螺栓疲勞載荷增大。螺栓拆裝需符合工藝要求，對(duì)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(shí)，應(yīng)及時(shí)修復(fù)或更換。提高螺栓機(jī)械加工精度，減小螺紋表面粗糙度對(duì)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(qiáng)度。循環(huán)振動(dòng)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(qiáng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行中監(jiān)視磨煤機(jī)振動(dòng)、軸承溫度、電流等參數(shù)的變化，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。建議掌握磨煤機(jī)的運(yùn)行狀況，制定科學(xué)合理的螺栓更換周期。

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