捞渣机链环断裂分析

谷树超，李 俊，王 松，李 炅，刘宇哲

(上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090)

0 引言

捞渣机是火力发电机组的重要辅助设备，其结构部件的失效，会给电厂造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡。捞渣机链条设备是捞渣机的重要部件，由链环和刮板组成，由于设计、工作环境的影响，其故障率较高[1-2]。超超临界机组容量1 000 MW、过热蒸汽流量2 955 t/h，采用刮板捞渣机设备除渣，其电机功率55 kW，出力10.8 t/h。设备运行过程中，捞渣机链环发生断裂失效，链环材质为39NiCrMo3，表面采用渗碳处理。为查明链环断裂失效的原因及材质断裂时的相关性能变化，对其微观组织和力学性能进行相关试验检测及分析，且利用ANSYS有限元模拟分析方法分析链环在实际运行中的应力分布规律。

1 试验方法

利用Axio Oberver.D1m 倒置万能材料显微镜分析各试样的组织形态；利用UH250布洛维台式硬度计和402MVD显微维氏硬度计进行硬度分析；利用SPECTROMAXx全定量金属元素分析仪进行材质分析；利用JSM-5600LV型扫描电子显微镜对链环断口进行分析。利用ANSYS有限元分析软件，在结构状态非线性下，采用软件中的智能网格化分模块，对链环的受力简化模型进行加载受力分析，模拟链环的应力分布。

2 分析与讨论

2.1 化学成分分析

捞渣机链环材料为39NiCrMo3(EN 10083:3—2006标准)，相当于国产材料40CrNiMoA(GB/T 3077—2015)。这2个标准对两种材料的主要化学成分及热处理工艺规定如表1所示。

由表2可知，链环心部C含量偏低，Mn、Ni元素含量较高于标准要求，两种元素能显著提高钢的淬透性[3]，某种程度上使钢淬火、回火后硬度提高。其他化学成分符合标准EN 10083:3—2006对39NiCrMo3的规定要求。对链环表层进行光谱分析，C含量为0.633%(质量分数)，其他元素含量基本和心部一致，由此可知表面经渗碳处理，断口周边较光亮平整区域为渗碳层。

对链环心部进行实验室光谱分析，具体分析结果见表2。

表1 39NiCrMo3和40CrNiMoA化学成分及热处理工艺Table 1 Chemical composition and heat treatment process of 39NiCrMo3 and 40CrNiMoA

表2 链环心部化学成分分析 (质量分数 /%)Table 2 Chemical composition analysis result of chain core (mass fraction /%)

2.2 宏观形貌分析

链环断裂部分宏观照片如图1所示。由图可知，两断口分别位于两侧直边，断口1位于中间位置，断口2靠近圆弧的摩擦部位，为圆弧段和直边段的过渡区域。进一步观察，发现两断口基本为平断口，断口与链环轴垂直，断口毗邻部位未发生明显塑性变形，整个断口表现出明显的脆性断裂特征。断口2和断口1相比，不甚平整，呈现由环内弧面向外弧面扩展的放射条纹(图2)，结合链条环的受力可知，断口1为先期断裂，在拉力作用下，进而发生断裂形成断口2。断口1经进一步宏观观察，可见断面略呈斜向分布，周边表层较平细，心部较粗糙(图3)，这可能与表面渗碳处理有关。进一步观察，断口边缘处有一亮点(a点)，并可见由此亮点起始向两侧扩展的人字纹环花样，且右侧人字纹近内边缘有曲折的二次裂纹分布，拟为表面渗碳处理层的过渡区。在粗糙的心部断面区域，可见自下而上的扩展条纹分布。由此可见，开裂起始于链环断面的a点，先期沿外周渗碳层左右扩展，然后整体向12点钟方向(b点)扩展至断裂。

2.3 断口扫描电镜分析

对断口1的起始区、扩展区和终断区进行扫描电镜断口分析，其各区形貌如图4所示。由图可知，断口起始区低倍形貌较为平坦，并可见由边缘起始、向上扩展的放射状条纹分布，断面次表层可见沿周向连续分布的二次裂纹(图4a)。断面此区域高倍形貌如图4b所示，可见断面基本呈沿晶开裂形态，并且边缘表面有颗粒状物质嵌入分布。对该物质进行X射线能谱分析(图5)，可看出该物质除基体元素外，主要含O(36.79%，质量分数，下同)、Ca(1.26%)、S(0.29%)等元素，拟为链环基体氧化物与炉渣的混合物质。

图1 断裂链环宏观形貌Fig.1 Macrograph of fractured chain

图2 链环断口宏观形貌Fig.2 Macrograph of fractures

图3 断口1宏观形貌Fig.3 Macrograph of fracture 1

断面近心部扩展区低倍下形貌比较粗糙，同样可见自下而上的扩展条纹分布(图4c)，高倍下可见明显的韧窝花样(图4d)。断面近终断区边缘可见多处台阶形貌分布，高倍下可见该区域断面呈沿晶及准解理混合花样(图4e、图4f)。

2.4 金相分析

对断口1横截面进行金相组织观察，金相照片如图6所示。由图可知，链环表面渗碳层厚度约为2 mm，环向二次裂纹基本位于渗碳层与基体过渡区域，进一步观察发现，此裂纹并非连续，但其方向基本一致，均位于渗碳层与基体过渡区域，沿链环渗碳层圆周方向扩展。断面外表面近渗碳层处组织为针状马氏体和残余奥氏体，马氏体针长10～20 μm，依据《钢件渗碳层淬火回火金相组织检查》标准，马氏体级别可评为4级，残余奥氏体为3级。链环心部组织为低碳马氏体、贝氏体和少量游离铁素体混合组织(图6c)，心部组织评定级别为3级。形成的马氏体组织硬度较大，耐磨性较好，但脆性较大，在冲击载荷作用下，容易发生脆性开裂[4]。根据上述标准，从渗碳工艺角度对链环组织进行评判，链环此断面近渗碳层和心部组织正常。

图4 断口起始区(a、b)、扩展区(c、d)和终断区(e、f)扫描电镜图片Fig.4 SEM images of source area (a, b), propagation area (c, d) and fast fracture area (e, f) of fracture

2.5 硬度分析

采用显微硬度计和布氏硬度计，分别对断口横截面和对照试样渗碳层及心部进行硬度试验，各位置及对应硬度值如图7所示。

链环出厂要求规定渗碳层硬度不低于HV30730。由图7可知，失效链环断面1渗碳层硬度低于工件出厂要求，而对照试样在出厂要求范围内。由于链环试样热处理工艺未知，参考40CrNiMoA供应状态下的硬度标准(回火温度550～650 ℃，HB≤269)[5]可知，断裂链环心部硬度超出标准硬度上限，对比试样硬度略高于标准上限。失效链环渗碳层、心部组织和出厂标准以及对比试样之间的硬度差异，反映出此部件出厂时的热处理工艺参数选择不当[6]。

3 有限元分析

为模拟捞渣机链环实际工作中的应力分布，采用有限元计算模型，利用ANSYS软件模拟了链环不同部位的应力分布规律[7-8]。计算过程中，根据链条实际尺寸建立模型，不考虑链环的塑性变形和相对滑动，假设链环一端固定，另一端内侧受均布压力[9]，即在一端链环内侧弧面上施加大小为50 MPa压力，等效于63.875 kN的工作荷载，另一端链环端点施加固定约束。计算过程采用solid186单元划分结构网格，并在链环接触区域设置接触对，采用targe170和conta174单元划分接触面单元，网格模型如图8所示。

经模拟计算，链环的应力分布如图9所示。由此可知，链环内侧应力较大，且最大应力出现在链环圆弧段与直段的过渡区域内侧(图9红色区域所示，与链环实际最终断口2位置极为接近)，这表明此区域在实际服役过程中，容易发生疲劳失效。模拟结果与链环实际2个断口所反应的信息一致。

图5 断面起始区嵌入物能谱曲线Fig.5 Spectrum curve of impurities at the source area

图6 链环渗碳层裂纹 Fig.6 Cracks at the carburized layer

图7 链环渗碳层及心部硬度Fig.7 Hardnessofcarburizedlayerandcore图8 链环网格模型Fig.8 Meshmodelofchain

4 结论

1)链环材质Mn、Ni元素含量较高，使工件淬透性提高，进而使其硬度提高，脆性变大。

2)断口呈现脆性断裂，断口起始于脆性较大的渗碳层表层区域，该区域覆盖有氧化物及炉渣类物质，并可见有凹坑形貌。断口起始区域内的渗碳层过渡区存在环形二次裂纹，经硬度分析，链环心部组织硬度较高。

3)链环环形裂纹的出现以及心部较高的硬度值均表明，链条成品时的热处理工艺欠佳致使材料脆性较大且易生成原始的裂纹缺陷。后期运行过程中，在外力循环载荷作用下，表面上或表面凹坑处极易产生应力集中分布，从而萌生裂纹而致链环断裂。

图9 链环应力分布Fig.9 Stress distribution of chain

[1] 李益民,史志刚. 锅炉捞渣机链环断裂原因分析[J]. 热力发电,2007,36(8):105-108.

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