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减速机高速轴断裂原因分析完整版

来源:www.zonsam.com   点击: 次   日期:2019-09-30 16:03:55

  某热电厂减速机的高速轴在运行中发生断裂,通过对断轴进行宏观检验、化学成分分析、表层能谱分析、硬度检验、金相检验以及力学性能测试,并结合减速机的运行工况进行分析,结果表明,高速轴的制造质量不合格。由于其表面渗氮层中存在大量微裂纹和针状组织,在运行期间,微裂纹发生扩展,造成表层金属剥落,形成应力集中,最终导致高速轴出现疲劳断裂。针对断裂的原因,提出了相应的改进建议。关键词:高速轴渗氮层微裂纹疲劳断裂doi:10.3969/j.issn.1006-8805.2019.02.007某热电厂7号锅炉的乙侧磨煤机正常运行电流为72.45A,在运行过程中电流瞬间降低至34.31A,经现场查看发现,乙侧磨煤机的电机仍在运行,但磨煤机的减速机未运转,确认减速机的高速轴已经发生断裂(位于3瓦轴承侧)。高速轴为减速机原装的齿轮轴,于2008年投用,材质为37SiMn2MoV。为查找高速轴的断裂原因,进行了以下检验分析。1检验与分析1.1宏观检验高速轴断裂于减速机输入端的轴承安装部位,轴径160mm,断裂面靠近轴肩处,距倒角处约3~5mm,见图1~图2。由图可见,断口整体较为平齐,可区分出裂纹源区、扩展区和瞬断区,裂纹源区有贝壳状条纹,并伴有多条撕裂棱,具有多源疲劳开裂特征【1】。

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  断口上瞬断区的面积不足横截面积的20%,由此可断定该高速轴断裂前并未出现明显过载现象,见图3~图6。断轴外表面存在明显的金属剥离痕迹,剥离层沿圆周分布,与轴承的安装位置基本对应,剥离层厚度为1~2mm,见图7~图8。图1齿轮侧断轴图2轴承侧断轴图3齿轮侧断口1.2化学成分分析在断轴芯部取样进行化学成分分析,结果(见表1)显示,断轴的化学成分符合设计标准GB/T3077—1999《合金结构钢》中关于37SiMn2MoV的规定。动设备石油化工设备技术,2019,40(2)·23·Petro-ChemicalEquipmentTechnology万方数据图4轴承侧断口图5裂纹源区的放射状条纹(6.5×)图6扩展区的条带形貌(6.5×)图7轴承接触部位的表面剥离层图8断轴横向截面上的剥离层(6.5×)同时,对断轴表面取样进行碳含量检测,结果显示,其表面含碳量为0.26%,明显低于基体的碳含量0.39%。表1断轴芯部化学成分分析结果w,%元素检测结果GB/T3077—1999范围C0.390.33~0.39S<0.001≤0.035Mn1.701.60~1.90Si0.720.60~0.90P0.029≤0.035Cr0.12≤0.30Mo0.370.40~0.50V0.080.05~0.121.3能谱分析由于断轴表面的碳含量明显低于基体,初步分析断轴表面可能进行了化学处理。

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  对断轴沿直径方向切割取样,抛磨后用5%硝酸酒精腐蚀,明显可见3个不同的颜色区域:表面光亮层、中间黑色过渡层和内部基体。其中,表面光亮层的深度约1~2mm,中间黑色过渡层深度约3~4mm,见图9。对表面光亮层和黑色过渡层进行元素能谱分析,发现表层金属中氮含量明显高于正常金属的范围,见图10。因此,分析认为,断轴表层进行了渗氮处理。图9断轴端面腐蚀后宏观形貌图10表层金属能谱检测谱1.4硬度检验应用显微硬度计对图9中的表面光亮层进行硬度测试,平均硬度值为220HB(约20.0HRC)。应用洛氏硬度计沿直径方向进行硬度测试(见·24·石油化工设备技术2019年万方数据图11,其中1、5、6、9号测点为黑色过渡层部位),测试结果见表2。从表2中可以看出,断轴过渡层的硬度值显著高于基体和表面光亮层,即表层附近的硬度梯度变化较大。图11断轴硬度检验示意表2硬度检测结果部位硬度值/HRC部位硬度值/HRC154.6652.7221.7720.8322.3821.0422.3954.9555.51.5金相检验对断轴端面取样进行金相检验,表面光亮层(即渗氮处理中的化合物层)分布有黑色点状孔洞,按文献【2】评级,疏松等级为2~3级,基本符合一般零件要求,见图12~图13。

  图12光亮层中夹杂物(100×,未腐蚀)图13光亮层的组织(200×)金相检验发现,在表面化合物层和过渡层之间存在针状的氮化物组织,见图14~图15。针状的组织会使化合物层变得很脆,容易发生剥落,不符合零件渗氮的质量要求。图14过渡层中针状组织(200×)图15过渡层中针状组织(500×)同时,金相检验还发现过渡层中靠近化合物层侧存在环向和径向的微裂纹,部分微裂纹已相互连接,见图16~图19。裂纹两侧无脱碳现象,属于表面渗氮处理中产生的剥离裂纹。图16过渡层中的周向裂纹(50×)图17过渡层中的周向裂纹(100×)在黑色过渡层中,存在着网状的氮化物,按文献【2】评级,氮化物等级为2~3级,基本符合第40卷第2期黄卫东.减速机高速轴断裂原因分析·25·万方数据一般零件要求,见图20~图21。图18过渡层中的径向裂纹(50×)图19过渡层中的径向裂纹(200×)图20过渡层中的网状组织(100×)图21过渡层中的网状组织(200×)断轴中部及芯部的基体组织为回火索氏体,组织较均匀,局部有少量夹杂物,见图22~图23。图22断轴中部组织(200×)图23断轴芯部组织(200×)1.6力学性能试验将断轴去除表面的渗氮层,沿轴向取样进行力学性能测试,结果见表3。由表3可见,断轴的抗拉强度、屈服强度均低于设计标准GB/T3077—1999《合金结构钢》中关于37SiMn2MoV的规定。表3力学性能试验结果试样抗拉强度σb/MPa屈服强度σs/MPa延伸率,%1号试样90370019.52号试样86170021.53号试样86668921.5GB/T3077—1999规定的标准范围≥980≥835≥121.7运行工况分析查阅减速机的运行检修记录,此次断裂的高速轴为减速机原装齿轮轴,断裂前已累计运行5.5万h。

  由高速轴的转速1000r/min计算,得出断轴断裂前的累计循环次数为3。3×109次。2012年11月对减速机进行检修,更换了3号瓦侧轴承;2014年5月检修,更换了4号瓦侧轴承;2017年10月检修,将轴承全部更换,但历次检修均未对断轴进行无损检测。查阅减速机2017年5月~11月的轴承振动检测记录(车间自测),显示其最大位移值为6×10-2mm(标准值8×10-2mm),未发现振动超标现象。运行期间,电机的电流值一直较为稳定,减速机未出现过载现象。2失效原因分析由上述检验结果可知,断轴的化学成分、基体硬度符合设计要求。由于减速机运行中无电流过载和振动异常等现象,且断轴断口的瞬断区面积又较小,因此,可排除运行中异常工况波动引起轴断裂的可能性。(下转第30页)·26·石油化工设备技术2019年万方数据工业应用。在压缩机运行过程中,现场采集的数据显示,气缸振动情况良好,各列气缸在x-y-z方向(往复方向-曲轴轴线方向-垂直于前两个方向的方向)上振动最大值6。2mm/s,最小值2。1mm/s,远优于GB/T7777—2003规定的振动烈度标准值【8】。

  6M(HE)80压缩机的流量、压力/温度、机身和轴承振动、轴瓦温度等各项运行指标均正常,电机电流波动较小,满足重整装置工艺生产需求,达到了预期的研发目标,获得用户和专家认可,并于2016年10月通过了新产品鉴定。2007年,在由中石化洛阳工程有限公司负责设计的大连石化360万t/a加氢裂化装置中,新氢压缩机组进口,采用了最大允许活塞力为80t的6列往复式压缩机组;据了解,在澳大利亚BP公司的一套连续重整装置中,采用了最大允许活塞力为82。5t的6列往复式氢气压缩机;在印尼的一套加氢裂化装置中,采用了最大允许活塞力125t的6列往复式新氢压缩机。可见,大型6列往复式氢气压缩机的应用尚有很大探索空间。4结语6M(HE)80型压缩机的研发,实现了大型6列往复式氢气压缩机的独立自主国产化,运用了计算机辅助设计等现代设计手段,凭借关键技术实现了对国内大型往复式压缩机传统技术的突破。该项目满足工艺操作要求,达到了预期的研发目标。该机型的研发,为我国石化工业大型装置中氢气压缩机的选型提供了新选项,也为控制成本、提高效益、确定最优的选型配置方案提供了更多选项。


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