圖 1 磨輥軸固定螺栓外觀
分享：中速磨煤機磨輥軸螺栓斷裂原因
燃煤電廠磨煤機是鍋爐中的重要輔機設備，現階段火電機組每臺鍋爐均配有若干臺中速磨煤機，為鍋爐的正常運行提供煤粉燃料。磨煤機具有煤質適應性廣、研磨件壽命長、電耗低等優點，在現役燃煤機組中應用廣泛。機組運行時，原煤通過上方給煤機進入磨煤機，經過磨盤與磨輥碾壓被研磨成煤粉。冷、熱一次風混合后進入磨煤機，對原煤進行干燥，然后一次風將合格的煤粉吹出分離器，煤粉通過燃燒器進入鍋爐爐膛燃燒[1-2]。
某燃煤電廠1號爐B磨煤機1號磨輥軸承溫度由77.74 ℃持續上升至88.79 ℃，將B磨煤機緊急停運。經解體檢查發現，1號磨輥支架與磨輥軸連接的3根螺栓中部全部發生斷裂。磨輥軸與磨輥支架間發生約120 mm的相對位移，受位移影響，磨輥軸承失去密封效果，煤粉大量進入磨輥內部，導致磨輥軸承損壞。
1號鍋爐為330 MW燃煤機組，每臺鍋爐配有5臺中速磨煤機。故障磨煤機為MP200B型輥盤式磨煤機，該磨煤機具有3個獨立固定磨輥的外加力型輥盤式磨機，3個磨輥沿圓周方向120°均勻分布于磨盤輥道上，磨輥向磨煤機中心內部呈一定傾角。斷裂的3根螺栓是磨輥支架與磨輥軸相連的固定螺栓，螺栓沿磨輥軸平面間隔120°布置（見圖1），承受了磨輥的自重、碾磨壓力及磨輥導向作用產生的反作用力。截至螺栓斷裂，螺栓累計服役時長約44 622.17 h。筆者采用一系列理化檢驗方法對該螺栓的斷裂原因進行分析，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對3根斷裂螺栓進行宏觀觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：1~3號螺栓均斷裂于螺栓半高處，螺栓的螺紋表面由牙頂向牙底平滑過渡，無明顯的尖銳區域；3號螺栓有2處斷裂，螺栓頭部與螺桿過渡處大部分發生開裂，僅有少部分連接；對3號螺栓中部斷面和頭部斷面進行觀察，可見螺栓斷口較為平整，斷面與螺栓軸向垂直，斷裂源處可見多個疲勞臺階，裂紋擴展區存在明顯“貝殼紋”形貌。
圖 2 3根斷裂螺栓的宏觀形貌
1.2 金相檢驗
利用光學顯微鏡對3號螺栓進行金相檢驗，結果如圖3所示。由圖3可知：斷裂螺栓未見明顯全脫碳層，螺紋牙底附近組織為細小的回火索氏體，螺栓心部組織為鐵素體+回火索氏體，滿足技術要求。
圖 3 3號螺栓的顯微組織形貌
1.3 化學成分分析
利用直讀光譜儀對3號螺栓進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：3號螺栓的化學成分符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的要求。
Table 1. 3號螺栓的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | |||
|---|---|---|---|---|
| C | B | P | S | |
| 實測值 | 0.44 | <0.000 2 | 0.008 | 0.024 |
| 標準值 | 0.25~0.55 | ≤0.003 | ≤0.025 | ≤0.025 |
1.4 掃描電鏡（SEM）分析
對3號螺栓進行SEM分析，結果如圖4所示。由圖4可知：螺栓裂紋源位于螺栓牙底處，有多個疲勞臺階，裂紋擴展區呈疲勞條帶微觀形貌特征，在高倍下可觀察到大致平行的二次裂紋。
圖 4 3號螺栓的SEM形貌
1.5 硬度測試
按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，利用顯微維氏硬度計對3號螺栓進行維氏硬度測試，結果如表2所示。由表2可知：3號螺栓1/2半徑區域內的未淬透區域硬度為300 HV，螺紋牙底附近硬度達到367 HV，高于標準要求。
Table 2. 3號螺栓的維氏硬度測試結果
| 測試位置 | 實測值 | 平均值 | 標準值 |
|---|---|---|---|
| 1/2半徑區域 | 299，298，303 | 300 | 255~335 |
| 螺紋牙底附近 | 366，370，366 | 367 |
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：3號螺栓斷口較為平整，斷面與螺栓軸向垂直；斷裂源位于螺紋牙底處及螺栓頭部與螺桿過渡處，可見疲勞臺階，裂紋擴展區存在明顯貝殼紋形貌，呈典型多源疲勞斷裂特征[3]；斷裂螺栓的化學成分無異常；斷裂螺栓組織中未見明顯全脫碳層，螺栓螺紋牙底附近組織為細小的回火索氏體，螺栓心部組織為鐵素體+回火索氏體，螺栓表面在熱處理時存在未完全淬透現象。裂紋源位于螺栓牙底處，存在多個疲勞臺階，裂紋擴展區呈疲勞條帶微觀形貌，可觀察到大致平行的二次裂紋，二次裂紋間距較小，呈低應力高周疲勞形貌特征。斷裂螺栓淬透區域與未淬透區域的硬度差異較大，螺紋牙底淬透區域硬度為367 HV，高于標準要求。
螺栓沿變截面處螺紋牙底及螺栓頭部與螺桿過渡處存在較大應力集中，且螺栓螺紋牙底處硬度偏高，組織不滿足標準要求，其抗疲勞性能降低，螺栓在服役期間受到磨輥運行過程產生的長期循環載荷作用，沿應力集中處產生微裂紋，運行中裂紋不斷擴展，最終導致螺栓發生疲勞斷裂。
其他磨煤機磨輥軸固定螺栓在同樣的運行工況和運行時間內未出現斷裂故障。據此分析，引起螺栓疲勞斷裂的原因還有：預緊力大小設置不當，較大的預緊力易產生多源疲勞，較小的預緊力使得螺栓松動，導致螺栓斷裂；防止螺栓松動的措施不當，產生疲勞，造成螺栓斷裂；使用工況不能滿足設計要求[4]。
2.1 螺栓預緊力分析
螺栓預緊力是為了增強部件間連接的可靠性和緊密性，防止連接松動。采用螺栓連接時，為保證被連接部件之間的可靠性和緊密性，需要在被連接部件之間施加足夠大的軸向夾緊力，軸向夾緊力與防松性能成正比。當作用在緊固件上的橫向應力超過螺紋副的摩擦力時，螺紋連接會發生松動。但預緊力過大會造成支撐面壓潰，導致軸向力衰減，一旦預緊力超過螺栓的屈服極限，螺栓會發生斷裂。因此，合適的預緊力是螺紋連接的重要影響因素[5]。經了解，磨煤機實際檢修時，通常采用普通扳手緊固螺栓，緊固力的大小并無統一的標準，因此可以確定螺栓預緊力超出扭矩或未達到預緊力的現象都可能存在。未采用扭力扳手對螺栓進行緊固也是裝配工藝不達標的一個原因。
2.2 部件裝配分析
螺栓通過螺紋的方式連接部件，在被連接件上施加軸向緊固力，通過螺紋之間的摩擦力防止螺紋松脫，達到緊固的目的。為了增強螺栓緊固件的防松性能，可以采取的措施主要有增加摩擦力防松、機械防松、破壞螺紋副關系防松3種方式[6]。磨煤機緊固螺栓穿過磨輥支架，通過螺紋與磨輥軸連接，磨輥軸連接處為盲孔結構。在實際工作時，磨輥軸始終在振動工況下運行，螺栓受交變載荷、振動、工作溫度等因素的影響，夾緊力隨使用周期的延長而減小，螺栓不可避免地會產生松動。磨輥每年需進行堆焊加工，螺栓重復拆裝且長期使用會對螺紋造成損傷，影響了螺栓連接的配合間隙。原圖紙設計裝配使用平墊圈，平墊圈不具有防松功能[7]，會造成螺栓松動。
2.3 運行環境分析
磨煤機運行時，原煤干燥工作溫度由一次風獲得[8]。實時監控顯示機組高、低載荷時磨煤機入口溫度為242~272 ℃。根據GB/T 3098.1—2010，當環境溫度超過150 ℃，最大達到300 ℃時，隨著溫度的不斷升高，應力松弛將伴隨夾緊力的損失。螺栓緊固件由于熱膨脹系數不同而發生不同的熱膨脹變形，產生相對運動，造成螺栓連接副旋轉松動[9]。對磨煤機內部各區域溫度進行核查，顯示磨輥軸承保護溫度報警上限為90 ℃，說明與之相連的螺栓所處位置溫度未超出螺栓溫度使用范圍。因此，環境溫度對螺栓松動不構成影響。
3. 結論及建議
磨煤機磨輥螺栓斷裂的主要原因為：在服役期間，磨輥產生長期循環載荷，使螺栓沿變截面處螺紋牙底及螺栓頭部與螺桿過渡處產生較大應力集中，且螺栓螺紋牙底處硬度偏高，降低了其抗疲勞性能，裂紋產生時螺栓所受的力較大，在工作應力和過大的預緊力作用下，螺栓產生微裂紋，裂紋不斷擴展，進一步引起螺栓松動，在循環應力的作用下，最終螺栓發生疲勞斷裂。
建議裝配螺栓時，用扭力扳手調整螺栓軸向預緊力，防止因軸力不足而引起螺栓松動，導致螺栓疲勞載荷增大。螺栓拆裝需符合工藝要求，對連接范圍內兩部件的接觸面進行表面處理，增大接觸面的摩擦系數，檢查螺栓孔的使用情況，發現內螺紋配合間隙超標時，應及時修復或更換。提高螺栓機械加工精度，減小螺紋表面粗糙度對疲勞壽命的影響，增大螺紋根部的圓弧，降低應力集中系數，以提高螺栓的疲勞強度。循環振動工況下，可嘗試使用防松效果較好的墊圈。嚴禁使用存在變形、螺牙損壞等缺陷的螺栓。加強設備的狀態監測，運行中監視磨煤機振動、軸承溫度、電流等參數的變化，以及時發現設備異常。建議掌握磨煤機的運行狀況，制定科學合理的螺栓更換周期。
文章來源——材料與測試網
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