某发电公司中速磨煤机旋转喷嘴断裂原因分析

张艳红

(辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

某发电公司中速磨煤机于2010年5月20日投入运行，于2011年4月在检修中发现旋转喷嘴断裂，至发现断裂之日，累计运行约6 000 h。

1 试验分析

中速磨煤机型号为 ZGM133G，标定出力为95.8 t/h，磨煤机最大出力入口一次风量为41.3 kg/s，一次风温度约为280℃。电动机功率为1 000 kW，转速为991 r/min。

中速磨煤机旋转喷嘴纵剖面结构图 (见图1)中，涂黄色的部分是旋转喷嘴轮环，涂红色的部分是导叶，旋转喷嘴轮环内径约3 540 mm，外径(包括导叶)为3 980 mm，轮环外弧一周等距离分布38片导叶。喷嘴轴向长约400 mm，最薄处壁厚为30 mm。旋转喷嘴材质为ZG50Mn2。

旋转喷嘴轮环上部通过螺丝与磨环托盘固定为一体，工作时随磨环托盘一同旋转，磨环转速为22.3 r/min，旋转喷嘴工作温度约为280℃。

1.1 断口宏观特征分析

磨煤机旋转喷嘴断裂于2个导叶之间，断口沿喷嘴轴向分布，上部紧贴着一个导叶的上端，下部将相邻导叶下端撕掉一部分 (见图2～图4)。

图1 旋转喷嘴结构图

断口结构图如图5～图7所示，由于断裂后断口在室外大气中放置较长时间，断口表面大部分被氧化呈铁锈色，但断口清洗后，部分区域被氧化呈黑灰色，如图5所示;在断口的内弧侧边缘，尤其是2个90°拐弯处可见明显的旧裂纹痕迹，其表面呈蓝色，如图6所示，旧裂纹表面呈蓝色应该是在工作温度 (280℃)下开裂后金属表面的氧化色。在断口的另一侧 (见图7中的A处)可见铸造疏松缺陷，B处未见明显的材料铸造缺陷。

在图7中的A处沿上下方向垂直于断口表面切开后，切面上可见大面积的铸造疏松缺陷，如图8所示。

断口宏观特征表明:裂纹起源于旋转喷嘴内弧侧，由内弧侧向外弧侧发展，最后断裂区域在外弧侧2个导叶端部。断口上断面粗糙，旧裂纹区域较小，无剪切断裂区，断口属于脆性断裂［1］。

1.2 化学成分分析

在断口附近取样进行化学成分分析，试验执行标准为GB/T 4336—2002，仪器型号为DV－6。

化学成分分析结果如表1所示，其中除含C量略超过标准要求外，其它合金元素含量均符合JB/T 6402—2006《大型低合金钢铸件》要求。

表1 化学成分分析结果 %

1.3 金相检验

对图8所示断面进行金相检验，抛光后未腐蚀铸造疏松缺陷如图9所示，疏松之间形成裂纹。腐蚀后在铸造疏松附近可见裂纹状缺陷，如图10所示，疏松边界可见明显的脱碳层，如图11所示。在断口附近垂直于断面取样进行金相检验，断口附近可见微裂纹，如图12～图13所示，基体组织为珠光体加铁素体，晶粒粗大，大于1级。基体组织中可见微裂纹，如图14～图15所示。

图9 抛光后未腐蚀铸造疏松缺陷

图15 基体组织中微裂纹

金相检验结果表明:基体组织晶粒粗大，断口附近及铸造疏松缺陷附近的基体上存在微裂纹，铸造疏松边界存在脱碳现象，金相组织有过烧特征。

1.4 机械性能试验

在断裂的旋转喷嘴上取3组试样进行常温拉伸试验。1组试样在断口附近，另2组试样分别距断口250 mm及500 mm，试样长度方向沿旋转喷嘴周向。

常温拉伸试验执行标准为 GB/T 228—2002，仪器型号为CSS－1120。试验结果如表2所示。比较可见，旋转喷嘴材质抗拉强度及屈服强度均低于标准下限，延伸率及断面收缩率远低于标准下限，材质性能不合格。

表2 旋转喷嘴材质力学性能检测结果

2 旋转喷嘴断裂原因分析

旋转喷嘴材质为ZG50Mn2，该钢含C量较高(0.45% ～0.55%)，含Mn量为1.5% ～1.8%，具有较高的强度，适用于高强度零件，如齿轮、齿轮缘等。

ZG50Mn2热处理工艺为正火加回火，正火处理温度在Ac3以上30～50℃，加热一段时间后空冷处理，可以消除铸钢的铸态组织，提高铸钢的强度和韧度。由于正火空冷，冷却速度较快，容易产生应力，所以正火后可通过回火处理消除应力。当正火温度低于Ac3时，存在残留铸态组织，铸件的性能得不到改善;若正火温度偏高，奥氏体晶粒粗大，冷却后重复出现魏氏组织也会使铸件性能恶化，因此应严格控制热处理温度。ZG50Mn2铸造工艺较难控制，容易出现铸造缺陷，且该钢具有热脆敏感性，若热处理工艺控制不当易产生过烧组织。各项试验分析结果如下。

a． 化学成分检验结果:该旋转喷嘴化学成分中含C量高于标准上限。

b． 断口宏观检验结果:断口粗糙，断口上旧裂纹区域 (裂纹疲劳扩展区)很小，无剪切断裂区域，断口属于快速脆性断裂。断面上存在铸造缺陷 (铸造疏松或缩孔)，铸造缺陷的存在大大降低了构件抵抗裂纹形成及扩展的能力。

c． 金相检验结果:基体组织晶粒粗大，晶粒度大于1级，断口附近及铸造疏松缺陷附近的基体上存在微裂纹，铸造疏松边界存在脱碳现象，金相组织有过烧特征。

d． 机械性能检验结果:与JB/T 6402—2006标准中ZG50Mn2相比，屈服强度及抗拉强度均低于标准下限，延伸率及断面收缩率远低于标准下限。

以上各项检验结果表明，该旋转喷嘴铸造质量不合格，局部存在铸造疏松及微裂纹，且热处理工艺控制不当，产生过烧组织，从而导致其强度较低，韧性极差，机械性能不合格。

中速磨煤机旋转喷嘴在运行中其周向承受的拉应力有3部分，一是由于喷嘴旋转的离心力所产生的拉应力，该应力在旋转喷嘴轮环厚度上分布规律是内弧侧高于外弧侧;二是由于旋转喷嘴内、外弧温差 (外弧工作温度约为280℃，内弧接近室温)产生的热应力，热应力作用在旋转喷嘴轮环内弧侧是拉应力，外弧侧是压应力;三是当磨煤机中的异物，如石块、木块等刚好挤在旋转喷嘴导叶与静叶之间，使其旋转受阻时，旋转喷嘴周向将突然产生一个较大的附加应力，当异物被挤碎或碾除之后，附加应力消失，该应力在旋转喷嘴轮环厚度上视为均匀分布。上述3种应力叠加在一起，旋转喷嘴轮环内弧侧应力大于外弧侧，当内弧侧应力达到某一值时，在旋转喷嘴内弧侧周向强度较弱部位将形成裂纹，裂纹不断疲劳扩展，当扩展到某一临界尺寸后引发瞬时断裂。断口上的断裂特征与应力分析结果一致。由于该旋转喷嘴强度较低、韧性较差，且局部存在铸造缺陷 (铸造疏松及微裂纹)，其抵抗裂纹形成及裂纹扩展能力较差。旋转喷嘴材质不合格是引发其早期脆性断裂的主要原因。

上述3种应力中前2种应力是稳定的，只要磨煤机运行，应力就存在。第3种应力是偶发的，正常工况下不应存在，但该应力一旦产生，其峰值较高，对旋转喷嘴的破坏性较大，因此运行中应保持磨煤机中物料清洁，尽量避免产生该应力。

3 结论

a． 旋转喷嘴断口特征属于脆性断裂。

b． 引发旋转喷嘴脆性断裂的主要原因是该ZG50Mn2材质不合格，铸造时存在铸造缺陷，且热处理工艺不当，产生过烧组织，铸件材质强度较低且韧性较差，其抵抗裂纹形成及扩展能力较差。

c． 磨煤机内应保持物料清洁，不应存在石块、木块等异物，防止异物卡在动叶与静叶之间，从而引发较大的附加应力。

［1］ 吴连生．失效分析技术 ［M］．四川:四川科学技术出版社，1985．