刘叙笔, 岳贤强, 杨 超, 万 瑜

(江苏方天电力技术有限公司, 南京 211102)

磨煤机是火力发电厂重要的辅机设备[1-2]，其主要是牵引拉杆,起到带动磨辊装置以及对磨辊装置施加碾磨压力的作用。某电厂3 044 t/h超超临界锅炉使用的磨煤机拉杆规格为φ125 mm×1 445 mm，材料为40Cr钢，热处理采用表面渗碳工艺，工作时拉杆在常温、常压下做往复运动，设计使用寿命不低于35 000 h。但在服役过程中，该电厂两台磨煤机拉杆运行约20 000 h左右时先后发生了断裂，造成停炉事故,影响了机组的安全、稳定运行。

为查明断裂原因，笔者对其中一台磨煤机断裂拉杆进行了断口分析、金相检验、力学性能测试等，以期防止事故的再次发生[3-4]。

1 理化检验

1.1 断口分析

断裂拉杆宏观形貌如图1所示，可见拉杆于杆中间部位断裂，外表面粗糙，有磨损痕迹。断口整体宏观形貌如图2所示，可见断口分为裂纹源区、疲劳扩展区和最终断裂区，断口平齐。疲劳扩展区及最终断裂区宏观形貌如图3和图4所示，疲劳扩展区隐约可见间距逐渐增大的疲劳纹，最终断裂区较粗糙，且出现孔洞。在扫描电镜下对断口进行观察，其疲劳扩展区和最终断裂区SEM形貌如图5和图6所示，可见疲劳扩展区为疲劳辉纹形貌，最终断裂区为韧窝形貌。

图1 断裂拉杆宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fractured pull rod

图2 断裂拉杆断口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of fractured pull rod

图3 疲劳扩展区宏观形貌Fig.3 Macro morphology of fatigue growth zone

图4 最终断裂区宏观形貌Fig.4 Macro morphology of final fracture zone

图5 疲劳扩展区SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fatigue growth zone

图6 最终断裂区SEM形貌Fig.6 SEM morphology of final fracture zone

1.2 化学成分分析

在断裂拉杆上取样并进行化学成分分析，结果如表1所示，可见拉杆的化学成分满足GB/T3077—2015《合金结构钢》对40Cr钢的技术要求。

表1 断裂拉杆的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of fractured pull rod (mass fraction) %

1.3 金相检验

在磨煤机拉杆断口附近圆钢表层及心部各制取一个金相试样。对表层纵截面试样进行观察，可见有较多硫化物夹杂，评级为2级，如图7所示；表层有柱状晶形貌的焊态组织，如图8所示；补焊区与母材有明显的熔合线，母材熔合区显微组织形貌如图9所示；表层补焊区附近的母材组织为较均匀的回火索氏体+贝氏体，显微组织形貌如图10所示。

图7 断口夹杂物形貌Fig.7 Morphology of inclusions at fracture

图8 表层补焊层显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of surface repair welding layer

图9 熔合区显微组织形貌Fig.9 Microstructure morphology of fusion zone

图10 表层母材显微组织形貌Fig.10 Microstructure morphology of base metal at surface

判断焊态组织的出现是因为该区域磨损较严重，检修人员进行过现场补焊所致，且补焊后进行了表面打磨处理，因此外观上无法分辨。

对心部横截面试样进行观察，如图11所示，可见显微组织为网状铁素体(魏氏组织)+珠光体，根据GB/T 3077-2015《合金结构钢》中推荐的热处理制度(淬火+回火)，该组织属于未淬透组织。

图11 心部显微组织形貌Fig.11 Microstructure morphology of the heart

1.4 力学性能测试

在拉杆距表面1/3半径处制取一组硬度、拉伸及冲击试样，并进行力学性能测试，结果如表2所示。可见拉杆强度及冲击韧性均偏低，不符合GB/T 3077-2015对40Cr钢的技术要求。该标准仅对经调制处理(850 ℃淬火+520 ℃回火)后试样的拉伸及冲击性能指标作了规定，硬度测试结果仅供参考。

表2 力学性能测试结果Tab.2 Test results of mechanical properties

通过金相试样测出硬度沿深度的分布曲线,结果如图12所示。可见表面焊缝及热影响区硬度明显高于母材的，最高硬度出现在焊缝区域，达到385 HV0.1，推测该处焊接时未进行预热和焊后热处理。

图12 拉杆显微硬度沿深度的分布曲线Fig.12 Distribution curve of micro hardness along depth of pull rod

2 分析与讨论

磨煤机拉杆化学成分符合40Cr钢的设计要求，因硫含量较高，故有较多硫化物夹杂；如按GB/T 3077-2015对40Cr钢淬火及回火的要求，断裂拉杆强度和冲击韧性均不达标；拉杆表层显微组织为回火索氏体+贝氏体，未见渗碳层组织，心部为网状铁素体+珠光体，存在严重的未淬透现象。

通过金相检验在断口附近发现拉杆表面存在粗大柱状晶的焊态组织，说明拉杆曾因为磨损严重而补焊过，根据金相检验和硬度测试结果判断显微组织为马氏体组织。40Cr钢焊接性能差，结晶时易偏析，对结晶裂纹比较敏感，焊接时容易出现弧坑、裂纹等问题；而且40Cr钢含碳量较高，快冷时易得到对冷裂纹较敏感的马氏体组织，过热区在冷速较大时，易形成硬、脆的高碳马氏体而使过热区脆化；因此40Cr钢焊接时应进行适宜的焊前预热和焊后热处理工艺。

根据金相检验结合断口分析结果可知，该断口裂纹起源于拉杆表面的补焊区，从一侧向另一侧扩展，为单向弯曲交变应力下的疲劳断裂。拉杆正常情况下不会产生弯曲应力，但如果导向装置发生磨损，将产生水平推力。

3 结论及建议

(1) 磨煤机拉杆断裂模式为起源于表面补焊层的单向弯曲疲劳断裂。

(2) 拉杆断裂的主要原因是供货态拉杆存在质量问题，拉杆表面未经强化处理导致耐磨性和抗疲劳性能差；淬火、回火工艺不佳导致锻件强度及韧性较差；不规范的补焊操作导致表层产生马氏体，进而萌生裂纹，拉杆长期在往复拉应力及弯曲应力的作用下，裂纹疲劳扩展，最终导致疲劳断裂。由于导向装置磨损导致拉杆受力异常是断裂的次要原因。

(3) 建议拉杆磨损后应制定规范的补焊工艺，进行适宜的焊前预热和焊后热处理；定期检查导向装置是否发生磨损，防止拉杆受到水平推力而产生弯曲疲劳。