汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承斷油燒瓦后軸頸材質(zhì)變化簡析
劉顯惠 范華
摘 要:簡述軸承工作性質(zhì),巴氏合金應(yīng)用與相組成的基本情況。論述汽輪機轉(zhuǎn)子在兩個電廠長期運行后，由于軸頸發(fā)生的不正常摩擦損傷，在大修改造中由無損檢查、機械加工揭示出軸頸存在嚴重的滲巴氏合金現(xiàn)象，低熔點金屬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)子的嚴重開裂與報廢。
關(guān)鍵詞：汽輪機轉(zhuǎn)子；軸承；巴氏合金；磁粉顯示；機械加工；裂紋；脆性
1 前言
軸承是汽輪機的關(guān)鍵部件之一，在循環(huán)潤滑油的潤滑與冷卻作用下，對重載而高速運轉(zhuǎn)的汽輪機轉(zhuǎn)子起支承作用。
軸承軸瓦在工作時，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)當有小的摩擦系數(shù)，抗磨性好并有足夠高的抗壓強度和韌性。故要求該軸承合金的組織中，在相當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度，適合于承受負荷特別高、HB300左右中等硬度的轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)，因而它作為軸承巴氏合金在汽輪機中廣泛用作轉(zhuǎn)子支承軸承的軸瓦。
汽輪機在電廠的運行中，斷油燒瓦而使軸承巴氏合金熔化的事情時有發(fā)生。一般情況下，均采取換瓦或重新澆巴來解決問題，而很少對汽輪機軸頸的材質(zhì)變化給予足夠的關(guān)注，汽輪機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年短短的幾個月中，東方汽輪機廠先后接受了來自2個電廠的3根舊機轉(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，無法在允許的車削范圍內(nèi)予以清除，最終不得不作報廢處理。本文就這些轉(zhuǎn)子在東汽廠處理過程中所揭示的轉(zhuǎn)子軸頸滲巴氏合金的現(xiàn)象作簡要論述。
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組成相的作用詳見表。典型的金相組織見圖，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巴氏合金的固相點溫度為240℃，液相點溫度為370℃，其最高使用溫度不得超過100℃，摩擦系數(shù)在有油時為0.005，無油時為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＃機低壓轉(zhuǎn)子軸頸在3根轉(zhuǎn)子中是損傷最嚴重的一根。該機為東方汽輪機廠1988年生產(chǎn)D29第1臺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，1993年7月投運。
低壓轉(zhuǎn)子系二重廠生產(chǎn)的大鍛件，材料為34CrNi3Mo，力學性能數(shù)據(jù)見表2，各項性能優(yōu)良，磁粉及超聲波探傷結(jié)果全部符合技術(shù)要求。
3.2 電廠大修中無損檢測發(fā)現(xiàn)的低壓轉(zhuǎn)子裂紋
電廠在2000年對該機進行大修期間，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型測深儀檢測確認，6＃軸頸上最為嚴重的一個裂紋群的情況是：該環(huán)狀裂紋群中有裂紋170條，最長裂紋16.7mm，裂紋最深達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)這一檢驗結(jié)果，電廠決定將該轉(zhuǎn)子返東汽廠由專用機床進行軸頸車削處理，將直徑為360mm的5＃、6＃軸頸，單邊車小1.2～1.5mm，個別深的裂紋采取局部打磨消缺及填補焊后繼續(xù)使用。
3.3 東汽廠車削加工中發(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)子進入東汽廠，為配合工廠對該轉(zhuǎn)子維修方案的實施與確定，對轉(zhuǎn)子電機端6＃軸頸裂紋帶的原始情況及軸頸車削過程的每一階段，進行了現(xiàn)場跟蹤、復(fù)型檢查及硬度檢測。
3.3.1 車削前6＃軸頸裂紋帶的原始情況
6＃軸頸長430mm，上述最嚴重的裂紋帶離電機端臺階位置約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，其宏觀可見長度多為3～5mm。對這一帶用里氏硬度計測試布氏硬度的結(jié)果是：轉(zhuǎn)子基材硬度為 HB292～306左右，與轉(zhuǎn)子的出廠檢測結(jié)果相符，深色帶內(nèi)的硬度則高達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)。這顯然是機組運行中由于不正常摩擦，使軸頸局部區(qū)域嚴重發(fā)熱達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圖。
3.3.2 車削中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，在東汽廠共同進行了低壓轉(zhuǎn)子6＃軸頸小進刀量(每次進刀0.2mm)車削的現(xiàn)場跟蹤檢查，發(fā)現(xiàn)了如下情況。
3.3.2.1 6＃軸頸出現(xiàn)兩個硬化亮帶
車刀從正�；膮^(qū)進入高硬區(qū)時，金屬的車削聲立刻變得尖銳，鐵屑轉(zhuǎn)而斷為碎渣形式。與周圍正常區(qū)相比，高硬區(qū)車削后光澤度高，明顯發(fā)亮，而車刀則極易在該區(qū)受損變鈍。車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(離電機端253mm)，亮帶兩邊密布的軸向裂紋肉眼可見。
3.3.2.2 6＃軸頸車小過程中裂紋顯著增長
根據(jù)軸頸車削過程中揭示的裂紋情況嚴重性，以及轉(zhuǎn)子軸頸極限扭矩應(yīng)力的計算結(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。在每次進刀約0.2mm、軸頸逐漸加工變小的過程中，硬化帶邊界處裂紋群的長度沒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→10mm級(單邊加工0.5mm時)→20mm級(加工3.8mm時)→30mm級(加工5.49mm時)。其原始短裂紋加工后轉(zhuǎn)而變?yōu)殚L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，此時裂紋的檢查情況依然嚴重。
�。�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長的裂紋達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。原22mm硬化帶已完全消失，組織與硬度基本恢復(fù)正常。
經(jīng)雙方認真商議，確認該轉(zhuǎn)子6＃軸頸此時的剩余直徑已不符合安全裕度的設(shè)計要求，且仍存在大量裂紋，該轉(zhuǎn)子已無挽救希望，只能作報廢處理。
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長的碎渣，見圖4(正常區(qū)是長鐵屑，車削過程中不斷)，說明該摩擦區(qū)金屬呈現(xiàn)明顯的脆性。
在6＃軸頸加工過程中，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，是大鍛件材料從來不曾見識過的異種相；高硬化區(qū)基體呈細針狀重結(jié)晶淬火馬氏體，晶粒已細化到8級；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。
采用電鏡能譜儀分析摩擦硬化區(qū)碎鐵屑的元素譜線，見圖8。Sn、Sb和Cu的譜峰十分明顯，說明該區(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材料晶界強烈滲入，形成了與巴氏合低熔點白色方塊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汽輪機組為哈爾濱汽輪機廠制造，1988年出廠。
2001年，高、中、低3根舊轉(zhuǎn)子由東汽廠對其進行通流改造。在軸頸進行磁粉檢查時，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400mm，軸頸上一周向網(wǎng)狀摩擦龜裂帶離汽輪機端臺階位置約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，對這些缺陷用著色滲透檢驗時，無顯示痕跡，表明缺陷還尚未開裂。
為進一步判定缺陷的性質(zhì)，對中壓轉(zhuǎn)子3＃軸頸摩擦缺陷區(qū)進行了現(xiàn)場復(fù)膜金相檢驗及硬度檢查。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)軸向與周向交錯分布的白色網(wǎng)狀組織發(fā)達，與宏觀磁痕顯示的龜裂形態(tài)完全一致，見圖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。
對這一帶用里氏硬度計測試布氏硬度的結(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)還沒有達到黃石電廠那樣強烈地相變硬化狀態(tài)。
沙角低壓轉(zhuǎn)子4＃軸頸30mm周向摩擦帶在單邊車去3.5mm深度后，仍有20多條軸向的磁痕顯示，長度超過20mm，因而該低壓轉(zhuǎn)子，以及摩擦帶更寬的(35mm)中壓轉(zhuǎn)子最后均作報廢處理。
5 電廠運行中汽輪機轉(zhuǎn)子軸頸滲巴氏合金的原因分析
汽輪機與發(fā)電機各軸承所需的大量潤滑與冷卻用油，由汽輪機的油系統(tǒng)承擔。由于油系統(tǒng)工作的可靠性極為重要，因而油系統(tǒng)包括了由汽輪機主軸直接驅(qū)動的“主油泵”，小汽輪機驅(qū)動的“汽動輔助油泵”以及由電動機拖動，發(fā)生事故時備用的“電動輔助油泵”，三泵聯(lián)合確保了汽輪機在正常運轉(zhuǎn)、啟動和停機時均有良好的潤滑作用。
機組在啟動與運行時，潤滑油在轉(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，進入各軸承的油溫不超過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，對軸頸起冷卻作用。因此，潤滑油的流通對軸承正常工作的重要性是不言而喻的，3根在役轉(zhuǎn)子的提前報廢正是此種重要性的具體體現(xiàn)。
據(jù)查，黃石電廠209＃機低壓轉(zhuǎn)子5＃、6＃軸承在1994年投運初期曾發(fā)生過嚴重的斷油燒瓦事故，此后兩軸承一直在瓦溫偏高的狀況下運行。從以上檢查結(jié)果看出，轉(zhuǎn)子摩擦高硬區(qū)細針狀馬氏體的存在說明此處發(fā)生了相變重結(jié)晶，溫度達800℃以上；而摩擦帶兩旁軟化區(qū)則超過轉(zhuǎn)子回火溫度，達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度與高韌性，長期運行后優(yōu)先在摩擦帶兩旁的低強度軟化區(qū)里，由低熔點的白色相組織發(fā)生開裂成為宏觀裂紋。
轉(zhuǎn)子軸頸車削加工中裂紋增長的現(xiàn)象則是白色網(wǎng)狀脆性相在車刀與加工應(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，只不過斷油時間與事故的嚴重程度稍輕微一些。晶界滲入異種相還尚未開裂，它能引起磁粉的明顯堆集卻對著色滲透沒有反應(yīng)。
6 結(jié)論
(1)在潤滑油暢通的情況下，鑄造錫基巴氏合金ZSnSb11Cu6是最優(yōu)秀的軸承合金，可以滿足汽輪機支承軸承對軸瓦的各項技術(shù)要求。
(2)電廠3根在役轉(zhuǎn)子的中途報廢是軸承斷油、嚴重燒瓦及瓦溫長期偏高的必然結(jié)果。
(3)汽輪機轉(zhuǎn)子軸頸環(huán)狀裂紋群或磁痕顯示的出現(xiàn)，是在不正常運行工況下，巴氏合金低熔點組成元素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，更換軸承的同時應(yīng)加強對軸頸摩擦區(qū)材料微觀組織的監(jiān)督檢查。
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