汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承斷油燒瓦后軸頸材質(zhì)變化簡(jiǎn)析
劉顯惠 范華
摘 要:簡(jiǎn)述軸承工作性質(zhì),巴氏合金應(yīng)用與相組成的基本情況。論述汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在兩個(gè)電廠長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于軸頸發(fā)生的不正常摩擦損傷，在大修改造中由無(wú)損檢查、機(jī)械加工揭示出軸頸存在嚴(yán)重的滲巴氏合金現(xiàn)象，低熔點(diǎn)金屬Sn、Sb與Cu向轉(zhuǎn)子材料晶界的深層滲入最終導(dǎo)致了3根大型在投轉(zhuǎn)子的嚴(yán)重開(kāi)裂與報(bào)廢。
關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子；軸承；巴氏合金；磁粉顯示；機(jī)械加工；裂紋；脆性
1 前言
軸承是汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在循環(huán)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑與冷卻作用下，對(duì)重載而高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子起支承作用。
軸承軸瓦在工作時(shí)，除了和軸頸造成磨損外，還要隨軸頸傳給它的載荷，因此軸承瓦塊材料應(yīng)當(dāng)有小的摩擦系數(shù)，抗磨性好并有足夠高的抗壓強(qiáng)度和韌性。故要求該軸承合金的組織中，在相當(dāng)軟的基體上分布著一定大小高硬度的相組成物。鑄造錫基巴氏合金ZSnSb11Cu6符合這種組織要求，是一種最優(yōu)秀的軸承合金。和所有巴氏合金相比，ZSnSb11Cu6具有最小的線膨脹系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)比鉛基合金大30％～60％，有最高的耐蝕穩(wěn)定性及較高的疲勞強(qiáng)度，適合于承受負(fù)荷特別高、HB300左右中等硬度的轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，因而它作為軸承巴氏合金在汽輪機(jī)中廣泛用作轉(zhuǎn)子支承軸承的軸瓦。
汽輪機(jī)在電廠的運(yùn)行中，斷油燒瓦而使軸承巴氏合金熔化的事情時(shí)有發(fā)生。一般情況下，均采取換瓦或重新澆巴來(lái)解決問(wèn)題，而很少對(duì)汽輪機(jī)軸頸的材質(zhì)變化給予足夠的關(guān)注，汽輪機(jī)軸頸的滲巴氏合金現(xiàn)象則更是鮮為人知。
但在2000年底至2001年短短的幾個(gè)月中，東方汽輪機(jī)廠先后接受了來(lái)自2個(gè)電廠的3根舊機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸的修復(fù)處理。它們均由于滲巴氏合金造成了軸頸材質(zhì)的深層脆化，無(wú)法在允許的車(chē)削范圍內(nèi)予以清除，最終不得不作報(bào)廢處理。本文就這些轉(zhuǎn)子在東汽廠處理過(guò)程中所揭示的轉(zhuǎn)子軸頸滲巴氏合金的現(xiàn)象作簡(jiǎn)要論述。
2 關(guān)于巴氏合金的基本情況
ZSnSb11Cu6軸承巴氏合金的成分及各個(gè)組成相的作用詳見(jiàn)表。典型的金相組織見(jiàn)圖，即在暗黑色α固溶體塑性基體上，分布著白亮色方塊或三角形晶體β相(SnSb)及白色針狀(或粒狀)晶體ε相(Cu6Sn5)，該巴氏合金的平均硬度僅為Hm30。 ZSnSb11Cu6巴氏合金的固相點(diǎn)溫度為240℃，液相點(diǎn)溫度為370℃，其最高使用溫度不得超過(guò)100℃，摩擦系數(shù)在有油時(shí)為0.005，無(wú)油時(shí)為0.28。
3 黃石電廠低壓轉(zhuǎn)子的滲巴氏合金現(xiàn)象
3.1 黃石電廠低壓轉(zhuǎn)子材質(zhì)的基本情況
黃石電廠209＃機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸頸在3根轉(zhuǎn)子中是損傷最嚴(yán)重的一根。該機(jī)為東方汽輪機(jī)廠1988年生產(chǎn)D29第1臺(tái)N200－12.70/535/535－4型超高壓中間再熱三缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)，1993年7月投運(yùn)。
低壓轉(zhuǎn)子系二重廠生產(chǎn)的大鍛件，材料為34CrNi3Mo，力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，各項(xiàng)性能優(yōu)良，磁粉及超聲波探傷結(jié)果全部符合技術(shù)要求。
3.2 電廠大修中無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的低壓轉(zhuǎn)子裂紋
電廠在2000年對(duì)該機(jī)進(jìn)行大修期間，著色滲透檢查首先發(fā)現(xiàn)了低壓轉(zhuǎn)子5＃、6＃軸頸開(kāi)裂，兩軸頸均有若干短的軸向裂紋沿周向成環(huán)狀分布。西安熱工所采用KARL RMG4105型測(cè)深儀檢測(cè)確認(rèn)，6＃軸頸上最為嚴(yán)重的一個(gè)裂紋群的情況是：該環(huán)狀裂紋群中有裂紋170條，最長(zhǎng)裂紋16.7mm，裂紋最深達(dá)3.1mm，裂紋深度大于1mm的有35條，深度大于0.2mm有98條。根據(jù)這一檢驗(yàn)結(jié)果，電廠決定將該轉(zhuǎn)子返東汽廠由專用機(jī)床進(jìn)行軸頸車(chē)削處理，將直徑為360mm的5＃、6＃軸頸，單邊車(chē)小1.2～1.5mm，個(gè)別深的裂紋采取局部打磨消缺及填補(bǔ)焊后繼續(xù)使用。
3.3 東汽廠車(chē)削加工中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子軸頸滲巴氏合金現(xiàn)象
2000年11月20日該轉(zhuǎn)子進(jìn)入東汽廠，為配合工廠對(duì)該轉(zhuǎn)子維修方案的實(shí)施與確定，對(duì)轉(zhuǎn)子電機(jī)端6＃軸頸裂紋帶的原始情況及軸頸車(chē)削過(guò)程的每一階段，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤、復(fù)型檢查及硬度檢測(cè)。
3.3.1 車(chē)削前6＃軸頸裂紋帶的原始情況
6＃軸頸長(zhǎng)430mm，上述最嚴(yán)重的裂紋帶離電機(jī)端臺(tái)階位置約130mm。將裂紋附近區(qū)拋光至鏡面并經(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕后，顯示出一寬度約為90mm的深色帶區(qū)，與轉(zhuǎn)子基材形成明顯分界線，跨越分界線密集排列著軸向分布的短裂紋，其宏觀可見(jiàn)長(zhǎng)度多為3～5mm。對(duì)這一帶用里氏硬度計(jì)測(cè)試布氏硬度的結(jié)果是：轉(zhuǎn)子基材硬度為 HB292～306左右，與轉(zhuǎn)子的出廠檢測(cè)結(jié)果相符，深色帶內(nèi)的硬度則高達(dá)HB540～593，而帶兩邊5mm范圍內(nèi)硬度低于基材，為HB241～255的軟化區(qū)。這顯然是機(jī)組運(yùn)行中由于不正常摩擦，使軸頸局部區(qū)域嚴(yán)重發(fā)熱達(dá)到材料相變溫度以上，產(chǎn)生了相變硬化的結(jié)果。其硬度與宏觀裂紋分布的具體情況見(jiàn)圖。
3.3.2 車(chē)削中6＃軸頸裂紋帶的發(fā)展情況
2000年底，湖北電力局、中試所及黃石電廠領(lǐng)導(dǎo)、專家與東汽廠相關(guān)人員，在東汽廠共同進(jìn)行了低壓轉(zhuǎn)子6＃軸頸小進(jìn)刀量(每次進(jìn)刀0.2mm)車(chē)削的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤檢查，發(fā)現(xiàn)了如下情況。
3.3.2.1 6＃軸頸出現(xiàn)兩個(gè)硬化亮帶
車(chē)刀從正常基材區(qū)進(jìn)入高硬區(qū)時(shí)，金屬的車(chē)削聲立刻變得尖銳，鐵屑轉(zhuǎn)而斷為碎渣形式。與周?chē)^(qū)相比，高硬區(qū)車(chē)削后光澤度高，明顯發(fā)亮，而車(chē)刀則極易在該區(qū)受損變鈍。車(chē)0.5mm后檢查，在原90mm寬硬化亮帶旁，出現(xiàn)了另一寬約22mm硬化亮帶(離電機(jī)端253mm)，亮帶兩邊密布的軸向裂紋肉眼可見(jiàn)。
3.3.2.2 6＃軸頸車(chē)小過(guò)程中裂紋顯著增長(zhǎng)
根據(jù)軸頸車(chē)削過(guò)程中揭示的裂紋情況嚴(yán)重性，以及轉(zhuǎn)子軸頸極限扭矩應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，將原先設(shè)想的單邊加工1.5mm的預(yù)方案原則上放寬到單邊5mm。在每次進(jìn)刀約0.2mm、軸頸逐漸加工變小的過(guò)程中，硬化帶邊界處裂紋群的長(zhǎng)度沒(méi)有象人們期待地那樣減小，反而在明顯地增加：由原始的3～5mm級(jí)→10mm級(jí)(單邊加工0.5mm時(shí))→20mm級(jí)(加工3.8mm時(shí))→30mm級(jí)(加工5.49mm時(shí))。其原始短裂紋加工后轉(zhuǎn)而變?yōu)殚L(zhǎng)裂紋的情況如圖所示。
最終將軸頸極限尺寸再次加工縮小到φ347.14mm，即單邊加工去除了6.43mm的深度，此時(shí)裂紋的檢查情況依然嚴(yán)重。
�。�1）裂紋總條數(shù)。原90mm硬化帶的邊界軸向裂紋還余146條，其中25～37mm長(zhǎng)的裂紋達(dá)64條之多。
（2）磨擦硬化帶寬度與硬度。原90mm硬化帶仍未完全消失，剩余寬度為5～23mm，硬帶最高硬度HB562～588，而熱影響軟區(qū)硬度僅為HB225～255。兩變異區(qū)與基材正常金相組織的硬度HB284～298相差甚遠(yuǎn)。原22mm硬化帶已完全消失，組織與硬度基本恢復(fù)正常。
經(jīng)雙方認(rèn)真商議，確認(rèn)該轉(zhuǎn)子6＃軸頸此時(shí)的剩余直徑已不符合安全裕度的設(shè)計(jì)要求，且仍存在大量裂紋，該轉(zhuǎn)子已無(wú)挽救希望，只能作報(bào)廢處理。
3.3.2.3 6＃軸頸摩擦帶的滲巴氏合金脆化現(xiàn)象
6＃軸頸摩擦帶區(qū)域的加工鐵屑呈1～5mm長(zhǎng)的碎渣，見(jiàn)圖4(正常區(qū)是長(zhǎng)鐵屑，車(chē)削過(guò)程中不斷)，說(shuō)明該摩擦區(qū)金屬呈現(xiàn)明顯的脆性。
在6＃軸頸加工過(guò)程中，先后在不同的加工深度即0mm、1.4mm與6.43mm的最終加工狀態(tài)，對(duì)裂紋帶作了3次復(fù)型微觀組織的檢查。不同深度的組織檢查情況基本相同，特征是宏觀裂紋存在的地方以及硬化帶內(nèi)部，均存在有大量沿晶分布的粗大白色網(wǎng)狀組織，是大鍛件材料從來(lái)不曾見(jiàn)識(shí)過(guò)的異種相；高硬化區(qū)基體呈細(xì)針狀重結(jié)晶淬火馬氏體，晶粒已細(xì)化到8級(jí)；轉(zhuǎn)子正常區(qū)為回火索氏體與回火貝氏體基材組織，晶粒度為4級(jí)。
采用電鏡能譜儀分析摩擦硬化區(qū)碎鐵屑的元素譜線，見(jiàn)圖8。Sn、Sb和Cu的譜峰十分明顯，說(shuō)明該區(qū)碎鐵屑中富含巴氏合金組成元素，證明裂紋帶白色網(wǎng)狀異種相正是巴氏合金Sn、Sb和Cu組成元素沿軸頸34CrNi3Mo材料晶界強(qiáng)烈滲入，形成了與巴氏合低熔點(diǎn)白色方塊β相(SnSb)相近的低硬度脆性相的結(jié)果。
4 沙角電廠中、低壓轉(zhuǎn)子滲巴氏合金的情況
沙角發(fā)電總廠200MW A3汽輪機(jī)組為哈爾濱汽輪機(jī)廠制造，1988年出廠。
2001年，高、中、低3根舊轉(zhuǎn)子由東汽廠對(duì)其進(jìn)行通流改造。在軸頸進(jìn)行磁粉檢查時(shí)，30Cr2MoV中壓轉(zhuǎn)子3＃軸頸(低壓端)發(fā)現(xiàn)一條寬約35mm的周向摩擦帶，而34CrNi3Mo低壓轉(zhuǎn)子4＃軸頸(中壓端)發(fā)現(xiàn)一條寬約30mm的周向摩擦帶，帶中有大量軸向、周向及網(wǎng)狀磁痕顯示。
圖示出了中壓轉(zhuǎn)子3＃軸頸摩擦位置。軸頸長(zhǎng)400mm，軸頸上一周向網(wǎng)狀摩擦龜裂帶離汽輪機(jī)端臺(tái)階位置約125mm，帶中大量的線狀磁痕顯示與圖(低壓轉(zhuǎn)子4＃軸頸磁痕顯示復(fù)型的示意圖)類似。值得注明的是，對(duì)這些缺陷用著色滲透檢驗(yàn)時(shí)，無(wú)顯示痕跡，表明缺陷還尚未開(kāi)裂。
為進(jìn)一步判定缺陷的性質(zhì)，對(duì)中壓轉(zhuǎn)子3＃軸頸摩擦缺陷區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)膜金相檢驗(yàn)及硬度檢查。摩擦區(qū)拋光腐蝕后為深的顏色，與轉(zhuǎn)子基材有明顯的分界線。摩擦區(qū)內(nèi)軸向與周向交錯(cuò)分布的白色網(wǎng)狀組織發(fā)達(dá)，與宏觀磁痕顯示的龜裂形態(tài)完全一致，見(jiàn)圖11。摩擦區(qū)基體因滲巴氏合金亦發(fā)生了明顯的組織改變。
對(duì)這一帶用里氏硬度計(jì)測(cè)試布氏硬度的結(jié)果是：中壓轉(zhuǎn)子基材硬度為HB223～236左右，帶內(nèi)硬度為HB246～266。從硬度方面看，摩擦區(qū)還沒(méi)有達(dá)到黃石電廠那樣強(qiáng)烈地相變硬化狀態(tài)。
沙角低壓轉(zhuǎn)子4＃軸頸30mm周向摩擦帶在單邊車(chē)去3.5mm深度后，仍有20多條軸向的磁痕顯示，長(zhǎng)度超過(guò)20mm，因而該低壓轉(zhuǎn)子，以及摩擦帶更寬的(35mm)中壓轉(zhuǎn)子最后均作報(bào)廢處理。
5 電廠運(yùn)行中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸滲巴氏合金的原因分析
汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)各軸承所需的大量潤(rùn)滑與冷卻用油，由汽輪機(jī)的油系統(tǒng)承擔(dān)。由于油系統(tǒng)工作的可靠性極為重要，因而油系統(tǒng)包括了由汽輪機(jī)主軸直接驅(qū)動(dòng)的“主油泵”，小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的“汽動(dòng)輔助油泵”以及由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，發(fā)生事故時(shí)備用的“電動(dòng)輔助油泵”，三泵聯(lián)合確保了汽輪機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)均有良好的潤(rùn)滑作用。
機(jī)組在啟動(dòng)與運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油在轉(zhuǎn)子軸頸表面與軸瓦表面之間的空間形成油膜，產(chǎn)生壓力將軸托起，避免了軸頸與軸瓦金屬之間的干摩擦。同時(shí)，進(jìn)入各軸承的油溫不超過(guò)35～45℃，不斷地將軸承摩擦產(chǎn)生的熱量，以及由轉(zhuǎn)子體傳給軸頸的熱量帶走，對(duì)軸頸起冷卻作用。因此，潤(rùn)滑油的流通對(duì)軸承正常工作的重要性是不言而喻的，3根在役轉(zhuǎn)子的提前報(bào)廢正是此種重要性的具體體現(xiàn)。
據(jù)查，黃石電廠209＃機(jī)低壓轉(zhuǎn)子5＃、6＃軸承在1994年投運(yùn)初期曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的斷油燒瓦事故，此后兩軸承一直在瓦溫偏高的狀況下運(yùn)行。從以上檢查結(jié)果看出，轉(zhuǎn)子摩擦高硬區(qū)細(xì)針狀馬氏體的存在說(shuō)明此處發(fā)生了相變重結(jié)晶，溫度達(dá)800℃以上；而摩擦帶兩旁軟化區(qū)則超過(guò)轉(zhuǎn)子回火溫度，達(dá)600℃以上。斷油事故不僅使轉(zhuǎn)子干摩擦區(qū)發(fā)生了相變硬化，更使摩擦區(qū)發(fā)生了巴氏合金的沿晶滲入，特別是硬化帶的兩側(cè)既是軟化區(qū)，又是相變硬化淬火的拉應(yīng)力集中區(qū)，其深層滲入就更為強(qiáng)烈。Sn、Sb和Cu元素在轉(zhuǎn)子材料晶界的富集使軸頸局部區(qū)材料失去了原有的高強(qiáng)度與高韌性，長(zhǎng)期運(yùn)行后優(yōu)先在摩擦帶兩旁的低強(qiáng)度軟化區(qū)里，由低熔點(diǎn)的白色相組織發(fā)生開(kāi)裂成為宏觀裂紋。
轉(zhuǎn)子軸頸車(chē)削加工中裂紋增長(zhǎng)的現(xiàn)象則是白色網(wǎng)狀脆性相在車(chē)刀與加工應(yīng)力作用下連續(xù)不斷發(fā)生脆性脫落的結(jié)果。
沙角電廠2根轉(zhuǎn)子的滲巴氏合金現(xiàn)象，其原理也應(yīng)如此，只不過(guò)斷油時(shí)間與事故的嚴(yán)重程度稍輕微一些。晶界滲入異種相還尚未開(kāi)裂，它能引起磁粉的明顯堆集卻對(duì)著色滲透沒(méi)有反應(yīng)。
6 結(jié)論
(1)在潤(rùn)滑油暢通的情況下，鑄造錫基巴氏合金ZSnSb11Cu6是最優(yōu)秀的軸承合金，可以滿足汽輪機(jī)支承軸承對(duì)軸瓦的各項(xiàng)技術(shù)要求。
(2)電廠3根在役轉(zhuǎn)子的中途報(bào)廢是軸承斷油、嚴(yán)重?zé)呒巴邷亻L(zhǎng)期偏高的必然結(jié)果。
(3)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸環(huán)狀裂紋群或磁痕顯示的出現(xiàn)，是在不正常運(yùn)行工況下，巴氏合金低熔點(diǎn)組成元素Sn、Sb及Cu向軸頸深層滲入，使轉(zhuǎn)子材料的局部發(fā)生了組織變異及脆化而致。
因此，電廠在發(fā)生燒瓦之后，更換軸承的同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軸頸摩擦區(qū)材料微觀組織的監(jiān)督檢查。
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