斗轮机轮斗轴断裂成因分析及处理

徐吉岭，庞琳亚

（徐州华润电力有限公司，江苏徐州 221142）

0 引言

01#轮斗轴为长春发电设备总厂生产，2010 年安装投运。2017 年1 月3 日19 时46 分，大雾天气，一值中班，01#斗轮机操作员和巡检员准备启动01#斗轮机加仓，悬臂皮带启动后，轮斗未转，于是巡检员进行仔细检查，发现轮斗轴断裂。断裂位置在加工台阶处，断裂处轴径262 mm。

图1 断口宏观照片

1 断口宏观形貌分析

断裂位于加工台阶处（最大轴径位置），断口上分深黑色及黄色2 个区域：深色区域较为平坦光滑，为疲劳扩展区；黄色区域较为粗糙，有粗大的放射棱，为快速断裂区（图2）。加工台阶过渡R 处有较多的棘轮标记，为多裂纹源扩展汇集而成，说明此处应力集中程度较大（表现为多源特征）。

由图2 断口光学照片可见，该断口为脆性断口、疲劳断裂，其特征为：①断裂处很少或没有宏观塑性变形；②断口平坦，断口与应力方向垂直；③断裂起源于变截面，表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。

图2 断口形貌

2 理化检验

2.1 化学成分分析

断轴表面用ARL3460 台式光谱仪对其作化学成分定量分析，在断轴上制取成分分析试样，分析结果见表1。轮斗轴成分符合45#钢的设计要求。

2.2 力学性能检验

在断轴外缘1/2 半径处制取一组硬度试样、拉伸试样及冲击试样进行力学性能试验，试验结果见表2。依照JB/T 6397—2006《大型碳素结构钢锻件 技术条件》标准的要求，对于45#钢调质态力学性能要求，其抗拉强度、冲击吸收功均超标，冲击韧性严重不足。

2.3 金相分析

在断口附近外缘及心部各制取一只金相试样，观察纵截面显微组织。非金属夹杂物为A 类2 级（图3）。心部显微组织为珠光体+大量网状铁素体（图4），外缘显微组织为索氏体+极少量网状铁素体（图5）。可见由于轴径太大，正火时表面冷速较快，先共析铁素体被抑制，形成较细密的索氏体组织，而心部冷速较慢，大量先共析铁素体以网状形式析出，导致其韧性较差、强度相对较低。

表1 元素成分 %

表2 力学性能结果

图3 非金属夹杂物形貌

图4 心部纵向显微组织

图5 外缘横截面显微组织

3 综合分析

由于不同类型载荷所造成的韧性断裂其断口特征不同，因此反过来可根据断口宏、微观特征来分析判定该轮斗轴所受载荷的类别：

拉伸载荷引起的韧性断裂，宏观断口往往呈杯锥状或呈45°切断外形，断裂处一般可见缩颈，断口上有大面积的韧窝且大都呈等轴韧窝或呈轻微拉长韧窝。

扭转载荷引起的韧性断裂，宏观断口大都呈切断型，微观上是拉长韧窝，匹配面的韧窝拉长方向相反。

冲击载荷引起的韧性断裂，在宏观上有冲击载荷作用留下的痕迹，断口周边有不完整的45°唇口，微观上呈撕裂拉长韧窝，匹配面上的韧窝拉长方向相同。

轮斗轴断裂截面宏观上符合冲击载荷引起的韧性断裂，裂纹起源于加工台阶过渡R 处外缘，该处应力集中程度较大。因此，下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效：①零件所用材料强度不够；②零件所承受的实际载荷超过原设计要求；③零件在使用中出现了非正常载荷；④零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中，使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效；⑤零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。

如果按照JB/T 6397—2006《大型碳素结构钢锻件技术条件》标准验收，斗轮轴元素成分符合45#钢的设计要求，但冲击韧性极低。从显微组织来看，该轴的热处理状态应为正火或正火+回火，心部冷却速度相对较慢导致生成大量网状铁素体，对材料韧性有较大影响，硫化物夹杂达到2 级，对其韧性亦有一定影响。

从断口形貌看，裂纹起源于加工台阶过渡R 处外缘，该处应力集中程度较大，导致具有棘轮标记的多源特征；经过一段时间的疲劳扩展后，形成月牙状的平坦区域；疲劳扩展至1/2 半径处（该处冲击韧性非常低）时，在一个较大的冲击载荷下发生快速断裂，形成粗大放射棱的粗糙断裂区。

4 结论及建议

综上所述，轮斗轴断裂的内因是韧性过低，这可能与内部大量网状铁素体有关；外因是工作时受到一个较大的动载荷（冲击载荷）作用。

进一步分析外因：断裂的直接原因可能是斗轮机悬臂抬至最高处堆料，在大车行走过程中，30 m 长的悬臂的抖动，带动轮斗晃动，轮斗受其自重的力的作用（自重及附件大于5 t），且在断口面早已形成疲劳扩展区的情况下，急速脆性断裂。

形成断口疲劳扩展区的可能原因有：01#斗轮机长期取用1#煤场汽车煤，煤层较硬，轮斗阻力增大，轮斗轴扭力增大，长时间超负荷运行，轮斗轴长期疲劳。因此建议做好以下5 个方面的工作。

（1）定期检查、维护、试验过力矩护保护装置和防撞装置，并做好记录。

（2）做好斗轮机检查维护，并加强动静态巡视。

（3）特殊天气（如浓雾、暴雨等天气），发电部应制定在此中天气状况下斗轮机运行的安全技术措施及组织措施，保证斗轮机安全稳定运行。

（4）取料操作时，斗轮的吃煤厚度与深度应当保持适中，尽量保证取料均匀，防止超负荷取料。

（5）增加轮斗过电流报警装置，增加轮斗部位的照明和监控。