图 1断裂驱动滚筒轴的宏观形貌
火力发电作为重要的电力供应方式，其稳定性和可靠性对于整个电网的平稳运行至关重要[1-3]。皮带给煤机作为火电机组的重要设备，在保障锅炉稳定运行方面发挥着重要作用。然而，在实际运行过程中，皮带给煤机驱动滚筒轴断裂事故时有发生，严重影响了火电机组的正常运行，甚至可能导致重大安全事故[4-5]。
某330 MW火电机组运行过程中皮带给煤机驱动滚筒轴发生断裂，导致机组限负荷运行，该滚筒轴的设计材料为35钢，电机侧直径为60 mm，滚筒侧直径为70 mm。滚筒轴的加工工艺为：坯料→锻造→正火处理→粗加工→调质处理→无损检测→精加工。轴体质量满足标准GB/T 10595—2017 《带式输送机》对滚筒轴的要求。笔者采用一系列理化检验方法对该电站锅炉皮带给煤机驱动滚筒轴断裂原因进行了分析，并给出了有效改进措施，以防止该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
断裂驱动滚筒轴的宏观形貌如图1所示。由图1可知：滚筒轴断裂于直径为70 mm、向直径为60 mm过渡的变截面处，并未断裂于电机侧的键槽处，在变截面根部存在明显的机械加工退刀槽，该部位属于应力集中程度较重的区域；轴的断口整体较为齐平，未见明显的塑性变形，断口整体分为3个较为明显的区域，靠近表面的表层区域存在扭转损伤形成的多处交割平台，该区域存在较为严重的机械摩擦损伤，该表层区域为起始断裂区；紧邻表层存在呈整圈分布的断裂面，断裂面较为细腻，厚度约为12 mm，该区域为断裂扩展区，该区域可以观察到较为明显的“海滩状”辉纹形貌；其他中间大部分区域呈现较为粗糙的脆性断裂形貌特征，为瞬断区；轴的表面未见明显的机械损伤及腐蚀损伤缺陷。
1.2 扫描电镜（SEM）分析
将滚筒轴的断口进行超声波清洗后，利用扫描电镜对试样进行分析，结果如图2所示。由图2可知：尽管断口表层机械摩擦损伤较为严重，但在表层区域仍可观察到较大尺寸的非金属夹杂物，夹杂物会导致材料形成空腔，破坏轴表层的完整性，成为裂纹源；扩展区可观察到典型的“海滩状”互相平行的疲劳条带，从疲劳条带的扩展及收敛方向可观察到起裂区位于轴体的表层，且存在多处起裂区；瞬断区呈典型的脆性解理断裂特征，局部有沿晶开裂特征，并伴有大量二次裂纹。
1.3 化学成分分析
在滚筒轴上截取试样，利用火花直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂滚筒轴中杂质元素S和P的含量均高于标准JB/T 1271—2014《交、直流电机轴锻件 技术条件》对35号钢的要求。
Table 1.断裂滚筒轴的化学成分分析结果
1.4 金相检验
在断裂滚筒轴的断裂部位截取金相试样，对试样进行金相检验。试样的抛光态形貌如图3所示。由图3可知：滚筒轴的基体组织中存在粗系3级的硫化物类（A类）、氧化铝类（B类）及硅酸盐类（C类）非金属夹杂物；断口上分布有大量沿各个方向分布的非金属夹杂物，不符合技术要求。
采用4%（体积分数）的硝酸乙醇溶液对滚筒轴的抛光态试样进行腐蚀，将试样置于光学显微镜下观察，试样的微观形貌如图4所示。由图4可知：滚筒轴轴体表层的组织为网状铁素体+索氏体+魏氏组织，晶粒度为7~7.5级；中心部位的组织为网状铁素体+索氏体+魏氏组织，晶粒度为5.5~6级，部分区域存在较为严重的带状偏析层，断口部分区域沿粗大魏氏组织晶粒的晶界呈沿晶状分布。
1.5 力学性能测试
在断裂滚筒轴上截取试样，对试样进行常温拉伸性能及冲击性能测试，结果如表2所示。由表2可知：断裂滚筒轴的强度及韧性等力学性能指标均低于GB/T 10595—2017《带式输送机》的要求。
Table 2.断裂滚筒轴的力学性能测试结果
2. 综合分析
综合上述理化检验结果可知：该滚筒轴的化学成分中S和P元素的含量超标，过量杂质元素的存在会导致轴体材料中形成严重的非金属夹杂物。滚筒轴的表层及中心部位的组织中均存在严重的网状铁素体+魏氏组织，部分区域存在较为严重的带状偏析层，同时，组织中还存在严重的硫化物类、氧化铝类和硅酸盐类非金属夹杂物。说明轴材料的冶炼工艺、热加工工艺及热处理工艺等均存在问题，导致成品轴的强度、塑性及韧性均较差。
轴体表层组织中大量非金属夹杂物的存在破坏了基体的连续性，在轴承受循环扭转载荷作用时，非金属夹杂物会成为疲劳开裂的裂纹源，而轴心部的非金属夹杂物、网状铁素体及粗大魏氏组织会进一步促进裂纹扩展，甚至导致材料发生沿晶脆性扩展断裂[6-8]。
皮带给煤机驱动滚筒轴材料应选用洁净度高的高级优质碳钢或合金钢，组织中不允许存在严重的非金属夹杂物。同时，为了提高滚筒轴服役的强度和韧性，应对材料进行有效调质热处理，且组织中不允许出现大量网状铁素体和粗大魏氏组织。该断裂滚筒轴在锻造等热加工过程中存在锻造温度偏高及冷却速率偏慢等异常情况，且调质热处理不到位，进而造成轴的强度和韧性不足。
滚筒轴断裂于直径由70 mm向60 mm的变截面处，在变截面的根部存在明显的机械加工退刀槽，轴体变截面根部应进行圆滑过渡，同时不应存在退刀槽，以避免形成应力集中。在皮带给煤机的启停过程中，驱动滚筒轴会频繁承受扭转冲击载荷的作用，当轴体上应力集中的变截面部位存在退刀槽等加工缺陷，及表层存在较大尺寸的非金属夹杂物时，会破坏轴体的连续性，在启停过程中的扭转冲击载荷作用下，变截面退刀槽处萌生裂纹，裂纹不断扩展，最终导致轴体断裂。
3. 结论与建议
皮带给煤机驱动滚筒轴的非金属夹杂物较多，增大了轴材料的脆性；滚筒轴变截面处根部存在车削退刀槽，增加了该部位的应力集中程度；轴的热加工及热处理不当、组织状态异常，造成轴的强度和韧性不足，脆性较大；在运行过程中的循环扭转载荷作用下，变截面退刀槽处表层夹杂物部位萌生裂纹，裂纹在脆性组织中快速扩展，最终导致滚筒轴断裂。
建议选择热加工及热处理合格的高级优质结构钢制作皮带给煤机的驱动滚筒轴；同时，给煤机使用过程中应减少频繁启停，避免产生过载现象；定期进行滚筒轴的检查和维护保养。
文章来源——材料与测试网