氧化风机轴断裂的失效分析与预防措施

王家庆

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华东分公司， 安徽 合肥 230031)

氧化风机轴断裂的失效分析与预防措施

王家庆

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华东分公司， 安徽 合肥 230031)

采用金相检验、化学成分分析、力学性能测试及断口SEM检验等试验手段,结合现场情况调研对45钢氧化风机轴在使用过程中发生断裂的原因进行了分析。结果表明:氧化风机轴的断裂形式为脆性解理断裂，金相组织为非均匀稳定的退火态组织，缺口敏感性较大。加之氧化风机运行环境恶劣,振动和长时间超负荷运行导致在轴的表面形成疲劳裂纹最终导致轴的断裂失效。针对上述问题提出了相关预防措施。

45钢；氧化风机；轴；热处理；失效分析

0 引言

随着社会的进步与科技的发展,电力在整个国民经济中占有越来越重要地位，鉴于我国的能源结构中以煤炭为主的现状，在将来很长一段时间内，火力发电依旧占据主导地位。近年来，国家对火力发电行业节能环保和可持续发展的要求与日俱增，而作为电站锅炉脱硫系统的重要部件之一，氧化风机的安全稳定运行对发电行业的脱硫环保具有重要的意义。随着各发电企业脱硫设备的不断上马，氧化风机运行过程中暴露的问题日益突出，严重影响到了整个脱硫系统的稳定运行，因此对氧化风机的主轴失效开展相关研究并提出预防改进措施十分必要。

1 失效基本情况

某火力发电公司1号机组氧化风机1B辅转子轴转速为980转/分，运行时间为两年，轴材质为45号锻钢。该轴在运行过程中发生断裂，断裂部位为光轴部分，附近区域无过渡及截面变化情况。图1为轴断面宏观形貌。断口呈清晰三区分布——起始断裂区、扩展区及瞬断区，起始断裂区存在研磨痕迹，有少量撕裂棱及裂纹扩展台阶存在，最终瞬断区较小，尚存金属光泽。

2 理化检验

2.1 光谱检验

采用德国斯派克光谱仪分别选取断轴心部及边缘部位测定材料的元素含量，结果见表1，检验结果表明该轴元素含量无异常。

表1 轴元素含量

2.2 冲击韧性检验

采用JB-300C型冲击试验机测试该轴径向冲击韧性，结果见表2。

表2 轴冲击韧性试验结果

该轴冲击韧性值低于相关标准要求，且“V”型缺口冲击韧性值大幅低于“U”型缺口冲击韧性值，表明该种材料具有较高的缺口敏感性。

2.3 金相检验

采用Carl Zeiss Axio Observer A1m型研究级倒置式金相显微镜观察轴的显微组织，腐蚀剂为4%硝酸酒精。

图2为该轴的显微组织图片。

该轴内部氧化物夹杂评为粗2～3级，金相组织为网状铁素体+层片状珠光体组织，部分视场可见存在一定的魏氏倾向，为退火态组织。这是由于淬火未能消除钢中的网状铁素体，所以高温回火后并未获得回火索氏体的正常组织，而魏氏铁素体出现说明加热温度偏高[1～3]。

2.4 SEM检验

图3为冲击断口SEM图片。图中未见韧窝形态存在，断口为大面积河流花样+衍生二次裂纹，可见少量撕裂棱，为典型低应力脆性解理断裂形态。此种断口形貌与其金相组织表征吻合，即高强度的层片状珠光体发生脆性断裂，衍生二次裂纹由网状铁素体与珠光体边界萌生扩展。

图4为轴断裂处SEM图片。该断面虽已被污染，但河流花样保存完整，撕裂棱也清晰可见，韧窝态不明显，仍为典型脆性解理断裂形态。

3 原因分析

该轴金相组织为非均匀稳定的退火态组织，此种组织状态会导致材料抗疲劳性能大幅下降；冲击试验结果表明该轴冲击韧性值未达到标准要求，且缺口敏感性较大，这将导致轴在运行过程中一旦表面出现细小疲劳裂纹后会迅速失稳扩展。

综上分析该轴断裂是低应力疲劳断裂，与其金相组织为退火态组织，在高速转动运行过程中存在振动，材料塑性低，缺口敏感性较大有关。

4 预防措施

4.1 改进工艺措施

建议新换轴采用正火+回火的热处理工艺以保证轴的显微组织及综合机械性能。

4.2 加强到货检验工作

对转动的轴类部件在投运前应对其开展入厂检验工作，针对其常见的问题应实施理化检验及无损检测，确保轴的热处理状态及加工质量满足使用要求。

4.3 加大轴类部件运行监管力度

对轴类部件从安装到运行实施全过程管理，提高装配精度，减小运行振动。

[1] 王倩.45钢主轴热处理畸变原因分析与改进措施[J].金属热处理，2013,(5):115-118.

[2] 束德林.工程材料力学性能[M]. 北京: 机械工业出版社，2007:11-15.

[3] 肖亚航，傅敏士，袁森. 45钢内部裂纹愈合的热处理试验研究[J]. 金属热处理，2005,(6): 83-85．

[责任编辑：薛宝]

Failure Analysis and Preventive Measures for Fracture of Oxidation Fan Shaft

WANGJia-qing

(ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China)

Metallographic examination, chemical composition, mechanical property, fracture SEM inspiration are used for failure analysis in the fracture of 45 steel oxidation fan shaft of power plant boiler combining with on-site investigation of the case of the shaft. The result indicates that the fracture mode is brittle cleavage fracture. The micro-structure is unstable annealed organization. The notch sensitivity of shaft is obviously. Combined with the harsh operating environment，vibration and overload with long time lead to the formation of fatigue cracks in the surface of the shaft. Preventive measures are put forward finally.

45 steel; oxidation fan; shaft; heat treatment; failure analysis

2015-06-10

王家庆(1984-)，男，安徽滁州人，中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，金属室总工，硕士，从事电站金属材料相关理化检验及金属部件的失效分析工作。

TK223.27

A

1672-9706(2015)03- 0061- 04