王建斌，毕虎才，高义斌

（1.大唐国际运城发电有限责任公司，山西 运城 044602；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

磨煤机磨辊断裂失效分析

王建斌1，毕虎才2，高义斌2

（1.大唐国际运城发电有限责任公司，山西 运城 044602；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

某电站磨煤机磨辊发生断裂，针对断裂磨辊进行化学分析、力学性能分析、金相分析，结果表明磨煤机磨辊断裂是典型的疲劳断裂失效，主要由于热处理工艺控制不当使组织性能达不到要求，在运行工况中产生表面损伤，在长期交变载荷作用下导致断裂失效。

拉杆；断裂；失效；疲劳

0 引言

某电厂锅炉制粉系统的中速磨煤机磨辊多次发生断裂事故，严重影响了机组安全正常运行。该磨煤机的碾磨部分是由转动的磨环和可自转的3条磨辊组成，磨辊加载方式为液压变加载，均匀作用至各个磨辊上，磨煤机磨辊设计材质为42CrMo。

1 磨煤机磨辊断裂失效试验分析

为了查清磨煤机磨辊断裂原因，对断裂磨辊进行化学分析、力学性能分析、金相分析。

1.1 磨辊化学成分试验

对断裂磨辊进行化学试验分析结果见表1。

表1 磨辊化学成分

化学试验结果表明磨辊材质符合GB3077—1988 88中42CrMo规定。

1.2 磨辊力学性能试验

在样品上加工力学性能试样，试验结果见表2。

表2 磨辊室温拉伸试验结果

力学性能实验结果表明材料抗拉强度和屈服强度偏低，不满足技术要求。

1.3 断裂磨辊宏观断口分析

断裂磨辊宏观断口形貌特征见图1，没有宏观塑性变形，有约1//3的面积晶粒较粗大，有完整的疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速断裂区。断口存在两处明显的疲劳弧线，分别位于5区以上扩展区和7区附近扩展区。疲劳弧线类似贝壳状，也称海滩状条纹，是金属宏观疲劳断口的典型特征，也是鉴别疲劳断口的重要依据[1-2]。断口瞬断区表面局部呈现晶粒表象，颜色比较暗淡；另外，存在不同程度晶粒多面体特征，局部表现为脆性沿晶断裂，也就是说，在疲劳扩展到一定程度，发生脆性断裂的失效。由此可以判断该断裂属于疲劳脆性断裂。

由图1可以看出，根据疲劳条纹的扩展方向及断口宏观台阶的扩展，可以确定断口存在3处源疲劳源，每个疲劳源宏观断口都包括裂纹源与开裂区、裂纹扩展区和最终断裂区，在疲劳源a和疲劳源c的附近存在明显的疲劳弧线，疲劳源a沿垂直于贝壳花纹疲劳弧线的方向扩展；其中产生台阶的扩展疲劳源b不太明显，但明显的解理台阶可以初步推断存在疲劳源b，且在不同水平的解理台阶存在相连续的、从疲劳源a发展来的疲劳条纹；疲劳源b沿9区扩展，与疲劳源a扩展相互影响，交叉扩展，在有应力、碳化物聚集或大块夹杂的地方，产生局部解理台阶（宏观表象见9区）。这个现象可以说明疲劳源a和疲劳源b是交互扩展的。

随着3处疲劳源扩展的进行，磨辊局部的单位面积应力在逐渐增大，疲劳弧线之间的距离也在变大，疲劳裂纹扩展速度增大[3]，随着解理裂纹的扩展，到局部平均应力超过屈服极限时，发生脆性沿晶间断裂。

图1 磨辊断口宏观形貌及分区

1.4 磨辊断口分区取样金相

在磨辊断口的不同区域取样，采用机械抛光，5%硝酸酒精溶液浸蚀，在金相显微镜下进行观察。

9 区疲劳源b外表处组织为铁素体加少量珠光体，见图2a；7区疲劳源外表处组织为板条马氏体，淬硬性明显，见图2b；5区组织为网状铁素体加珠光体，见图2c；瞬断区心部组织为针状上贝氏体+碳化物，见图2d。从图2a和2c对比可以看出，磨辊局部表面珠光体含量低，存在脱碳现象，5区和瞬断区心部组织的差异也表明组织在冷却过程中的不均匀；分析9区珠光体含量少，其原因主要是磨辊在淬火后回火过程中，温度偏高，局部脱碳所导致。瞬断区金相组织为上贝氏体+碳化物，组织较粗大，分析此处组织在初次淬火冷却过程中速度略慢，未能得到马氏体，同时，在回火温度略高的情况下析出部分碳化物，而上贝氏体组织强度高、韧性略差于回火索氏体；中心部位组织不一，形态不一，性能差异较大。从图3可以看出，组织内部同时存在微裂纹及分层组织，也表明组织的不均匀。

图2 磨辊断口不同区域金相

图3 磨辊断口内部裂纹及分层组织

金相分析表明磨辊表层组织局部存在脱碳，未得到有效的回火马氏体；中心部位及表层组织存在明显差异，这种差异会加速疲劳裂纹的扩展。

2 磨辊断裂失效综合分析

磨辊化学成分符合42CrMo规定，材料抗拉强度和屈服强度偏低，表层、中心部位金相组织不均匀，在多处疲劳源存在的情况下，受到复杂的交变载荷作用，直至发生疲劳脆性断裂。

断裂磨辊宏观断口有完整的疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速断裂区。断口存在两处明显的疲劳弧线，分别位于5区以上扩展区和7区附近扩展区。最终断裂表现为脆性沿晶断裂，也就是说，随着疲劳源扩展的进行，拉杆局部的单位面积应力在逐渐增大，疲劳弧线之间的距离也在变大，疲劳裂纹扩展速度增大，随着解理裂纹的扩展，到局部平均应力超过屈服极限时在疲劳扩展到一定程度，发生脆性断裂的失效。由此可以判断该断裂属于疲劳脆性断裂。

根据疲劳条纹的扩展方向及断口宏观台阶的扩展，可以确定断口存在3处源疲劳源，每个宏观断口都包括裂纹源与开裂区、裂纹扩展区和最终断裂区，疲劳裂纹稳定扩展区是由多源疲劳源交互扩展形成的，磨辊在组织不均匀及内应力的条件下承受外界的交变载荷作用，产生局部解理台阶（宏观表象见9区）。

42 CrMo的马氏体转变开始温度Ms点为310℃，加热上临界点Ac3为775℃[4]，如果冷却速度不够，或冷却速度及区域不均匀，有可能在Ms点以上，加热下临界点Ac1温度以下得到部分珠光体+铁素体，或者贝氏体组织，就会产生组织的不均匀；中心部位及表层组织存在明显差异，磨辊表层组织局部存在脱碳，这些差异会加速疲劳裂纹的扩展。

3 结论

磨煤机磨辊的断裂是典型的疲劳断裂失效；热处理工艺控制不当使组织性能达不到要求，力学性能实验结果表明材料抗拉强度和屈服强度偏低，在运行工况中产生表面损伤，在长期复杂的交变载荷作用下导致断裂失效。

［1］ 钟群鹏，赵子华.断口学［M］.北京：高等教育出版社，2005：184-186.

［2］ G.亨利，D.豪斯特曼.宏观断口学及显微断口学［M］.曾祥华，译.北京：机械工业出版社，1979：58-90.

［3］ 张海峰，王春芬，张永辉，等.轧辊断裂原因分析［J］.热加工工艺，2008（2）：114-116.

［4］ 姜求志，王金瑞.火力发电厂金属材料手册［M］.北京：中国电力出版社，2004：841-843.

Failure Analysis of Grinding Roller Rupture on Coal Pulverizer

WANG Jian-bin1，BIHu-cai2，GAO Yi-bin2
（1.Datang International Yuncheng Power Generation Co.，Ltd，Yuncheng，Shanxi 044602，China；2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Rupture occurred on the grinding roller of coal pulverizer in a power plant.Chemical analysis，mechanics property analysis and metallographic analysis were done to figure out the reason of rupture,and the results show that itwas a typical fatigue failure.Unsuitable control of heat treatment led to substandardness of structure property so that rupture failure happened under longterm alternate load.

grinding roller；rupture；invalidation；fatigue

TK223.25

A

1671-0320（2012）04-0045-03

2012-03-19，

2012-06-12

王建斌（1974-），男，广西桂林人，1997年毕业于安徽工业大学热能动力专业，工程师，从事电站金属部件监督管理工作；

毕虎才（1978-），男，山西五寨人，2001年毕业于太原理工大学金相专业，工程师，从事电厂金属部件材料性能分析及理化探伤工作；

高义斌（1979-），男，山西襄垣人，2005年毕业于太原理工大学材料加工工程专业，工程师，从事电站金属部件检验分析工作。