分享：超超临界锅炉捞渣机链条断裂原因

火力发电厂捞渣机的主要作用是及时排出锅炉燃烧产生的炉渣[1]。链条是捞渣机的重要部件之一,在服役过程中,链条长期处于高载荷运行状态,且链环之间会发生碰撞、摩擦,因此要求其具有较高的抗拉强度,较好的韧性及耐磨性能[2-3],捞渣机链条断裂会造成锅炉非计划停运,影响锅炉的安全运行[4]。 

某超超临界锅炉捞渣机链条多次出现断裂现象。链条材料为14CrNiMo5钢,规格为30 mm×108 mm(直径×长度),表面经渗碳处理,链条刚投入运行14个月。笔者对断裂的链条(编号为1号)和同厂家生产的相同材料、不同批次的3号机组未断裂链条(编号为2号)进行了一系列理化检验分析,查明了链条断裂的原因,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

1号和2号链条的宏观形貌如图1所示。由图1可知：断裂链条断口位于一侧直边中间部位,断面基本与链条轴向垂直,未见明显塑性变形,呈脆性断裂特征,内弧侧局部存在磕碰破损；未断裂链条表面存在明显氧化腐蚀产物,未见明显异常。 

图  1  1号和2号链条的宏观形貌

1.2   化学成分分析

利用直读光谱仪对1号和2号链条进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：1号和2号链条的C元素含量超出EN 10084：2008 《表面硬化钢(渗碳钢)交货技术条件》对14CrNiMo5钢的要求,Cr、Mo元素含量低于EN 10084：2008对14CrNiMo5钢的要求。 

1.3   力学性能测试

分别利用万能试验机、布氏硬度计、维氏硬度计、摆锤式冲击试验机对1号和2号链条的室温拉伸性能、硬度、冲击性能及淬硬层(渗碳淬火硬化层)深度进行测试。1号和2号链条的力学性能测试结果如表2所示,受链条尺寸限制,板状拉伸试样平行长度不足以夹持引伸计,因此不对试样的屈服强度、断后伸长率进行评定。由表2可知：1号和2号链条室温冲击吸收能量分别为35.5 J和38.5 J,具有一定的韧性储备；1号和2号链条的抗拉强度相近；1号链条基体硬度为393～425 HBW,2号链条基体硬度为410～423 HBW,两根链条表面硬度分别为63.5 HRC和64.9 HRC,均符合DL/T 2359—2021 《刮板捞渣机 技术规范》的要求(58～65 HRC)。 

1号和2号链条纵截面硬度分布如图2,3所示。由图2,3可知：1号链条渗碳层深度约为1.37 mm,2号链条渗碳层深度约为1.49 mm,均低于DL/T 2359—2021的要求(≥1.9 mm),其原因为链条中Cr、Mo元素含量偏低,导致链条的淬透性较差。 

图  2  1号链条纵截面硬度分布

图  3  2号链条纵截面硬度分布

1.4   金相检验

采用光学显微镜对1号链条的裂纹处进行观察,结果如图4所示。由图4可知：1号链条外弧侧外壁存在向内沿晶扩展裂纹,裂纹源侧存在向内扩展的穿晶裂纹,裂纹源对侧存在向内扩展的穿晶裂纹及沿晶裂纹,断面存在向内扩展穿晶微裂纹。 

图  4  1号链条裂纹处的微观形貌

采用光学显微镜对1号和2号链条的淬硬层进行微观观察,结果如图5所示。由图5可知：1号和2号链条的淬硬层均未见明显异常。 

图  5  1号和2号链条淬硬层微观形貌

1号和2号链条中夹杂物的微观形貌如图6所示。由图6可知：1号链条边部夹杂物为D类粗系2级、细系1级,中部夹杂物为D类粗系2.5级、细系1级,心部夹杂物为D类粗系2级、细系1级；2号链条边部夹杂物为D类粗系1.5级、细系1级,中部夹杂物为D类粗系1.5级、细系1级,心部夹杂物为D类粗系1.5级、细系1级。 

图  6  1号和2号链条中夹杂物的微观形貌

1号和2号链条的显微组织形貌如图7所示。由图7可知：1号链条边部、中部、心部组织均为淬火马氏体；2号链条边部、中部、心部组织均为淬火马氏体,1号和2号链条的组织应为回火马氏体,均存在异常,表明未对1号和2号链条进行有效回火处理。 

图  7  1号和2号链条的显微组织形貌

1.5   扫描电镜(SEM)分析

在1号链条的断面上取样,将试样置于SEM下观察,分析位置如图8所示,分析结果如图9所示。由图9可知：1号链条边缘可见约1.5 mm环形带,为细瓷状断口,呈沿晶断裂特征形貌；心部裂纹呈放射状花样,由裂纹源向对侧近似平行扩展,基体呈准解理特征形貌。 

图  8  1号链条断面试样SEM分析位置示意

图  9  1号链条断口SEM形貌

2.   综合分析

1号链条一侧直边中部发生断裂现象,断面平齐,呈脆性断裂特征形貌。链条断面裂纹由裂纹源侧淬硬层向对侧近似平行扩展,基体呈准解理特征形貌,淬硬层呈明显沿晶开裂形貌。1号和2号链条的显微组织均为淬火马氏体,且基体硬度偏高,表明未对链条进行有效回火,导致链条脆性过大,受外力冲击时,链条易发生脆性断裂。 

化学成分分析结果表明,链条的C元素含量偏高,Cr、Mo元素含量偏低。力学性能测试结果显示,1号和2号链条的抗拉强度、基体硬度及冲击性能相差不大,且其表面硬度均符合标准要求,但是两链条的淬硬层深度均低于DL/T 2359—2021的要求(≥1.9 mm)。金相检验结果显示,1号链条外壁存在向内沿晶扩展的裂纹,其夹杂物含量高于2号链条。 

1号链条断口渗碳过渡层位置存在环向裂纹,在距离断口约5 mm处的纵截面上未发现过多向内扩展裂纹,可见该环向裂纹并未贯穿整个链条环的渗碳过渡层。由此推断,该链条局部的渗碳过渡层处存在环向裂纹。这种环向裂纹产生的原因可能为在制造生产过程中链条渗碳及热处理等工艺不当。淬硬层存在明显沿晶开裂情况,说明受异常冲击载荷后,链条局部发生脆性开裂。链条内的夹杂物会破坏基体连续性,导致局部应力集中,从而加速裂纹萌生及扩展,降低链条的承载能力。 

综上所述,1号链条断裂的主要原因是链条材料不符合标准要求,且未对链条进行有效回火,导致材料脆性较大,服役过程中,链条局部易萌生微裂纹,受外力冲击时链条易发生脆性断裂。同时,链条长期服役后表面淬硬层存在明显沿晶开裂情况,且链条内部夹杂物过多,加速了裂纹的向内扩展进程,最终导致链条断裂。 

3.   结论与建议

1号链条曾受外力撞击,断口为脆性断裂,淬硬层存在明显沿晶开裂情况。链条Cr、Mo元素含量偏低,导致淬透性差,基体硬度较高；链条显微组织为淬火马氏体,表明未对链条进行有效回火处理,材料脆性过高,受外力冲击时,材料发生脆性开裂。同时,外壁淬硬层存在明显沿晶开裂情况以及链条内部夹杂物过多会加速裂纹向内扩展进程,最终导致链条断裂。 

建议在链条安装前进行材料校核检验工作,避免使用材料化学成分、组织或性能不合格的部件；排查其他链条是否存在链条间活动卡涩或表面磨损严重的情况,对存在严重磨损的链条进行更换。 

文章来源——材料与测试网