张雪涛1，何新民2
（1.独山子石化公司研究院设备研究所， 新疆 独山子 833699）（2.独山子石化公司乙烯厂储运联合车间， 新疆 独山子 833699）
[摘 要] 通过对引风机断轴开展现场调查、断口形貌及成分分析、力学性能、金相分析等材质分析，综合判断该轴断裂原因为轴肩处结构不合理导致该处应力集中，在疲劳载荷下其表面机加工缺陷及激光熔敷淬硬区萌生裂纹源，且该轴未进行调质热处理，导致其抵抗疲劳载荷的能力偏低，疲劳裂纹不断扩展直至失稳断裂。依据断裂原因，提出预防轴断裂的建议。 [关键词] 引风机断轴；断口形貌分析；应力集中；疲劳断裂；激光熔敷淬硬区
作者简介：张雪涛（1975—），男，硕士，高级工程师。在独
山子石化公司研究院设备研究所主要从事金属材料理化检测及失效分析工作。
某炼厂重整加氢联合车间芳烃装置加热炉引风机运行不正常，解体检查发现风机轴在叶轮处断裂（见图1）。为此委托对断轴进行断裂原因分析。
1 现场调查
网络流量测试由车间提供的信息及现场调查情况可知，断轴所属芳烃装置加热炉的空气预热器引风机与加热炉同时投用，至发生断裂时已使用逾20年，累计运行约17.5万工时。引风机J-602轴转速为980rpm ，每次装置大修时均对该风机叶轮、轴承进行拆检并更换轴承。
引风机工作介质为烟气，烟气温度130℃。该引风机叶轮受烟气冲蚀较严重，但对轴及轴承的腐蚀不明显（见图1）。该轴断裂的11个月前，该引风机叶轮曾因烟气冲蚀后发生失稳，引风机轴
头键槽部位因失稳导致磨损，后车间委托某机械制造公司为其修复键槽缺陷，对轴表面进行了整体激光熔覆，并在原键槽对面开设了新键槽。引风机自修复键槽后，引风机的前后轴承测点速度、加速度、冲击能量、温度均为正常值，无明显趋势变化，该引风机运行正常。从运行时振动监测数值分析看，可排除转子不平衡或存在碰磨等故障。2 理化检验
对断轴开展断口形貌分析及材质分析。将断裂的轴头与断轴组对，可发现断口位置位于轴肩（见图2、图3），断裂处轴直径从φ106mm 变化至φ125mm ，但断裂处看不到明显的过渡圆弧（见图3）。2.1 宏观断口形貌分析 可观察到送检的断裂轴头断口形貌特征如下：断口平直，无明显塑性变形，断面颜灰白，除失稳断裂区外无明显金属光泽，在疲劳扩展区可见明显的疲劳贝壳辉纹（台阶），整体呈现低应力高周疲劳断口形貌特征。根据断裂区域的形貌特征和裂纹走向，可以按照断裂顺序将断口分为疲劳源区、疲劳扩展区和失稳瞬时断裂区（见图4）。由于其承受应力较低，疲劳扩展区占据了断口面积的大部分区域。初始疲劳源区位于轴表面处（见图4指向）。
图2 引风机轴断裂位置及尺寸标注
图3 引风机轴断裂位置组对 图4 引风机轴断口形貌分析照片
使用美国科视达公司生产的KH-3000型现场金相检查仪对断裂源区进行放大观察（见图5），可见轴肩退刀槽表面有明显残留的机加工缺陷，这些机加工缺陷成为疲劳源的源区。2.2 成分分析
按照客户指定，对轴头中心部位横截面制备光谱分析样品，使用德国SPECTRO Lab.M7型固定式光谱仪对其进行成分分析，测试结果如表1：根据成分分析结果，所检断轴元素分析结果与GB/T 3077-1999中30CrMnTi [1]材质含量要求相
近。
图5 引风机轴断口疲劳源区放大图
元素C Si Mn
P
S
Cr
Ni Cu Mo Ti Al 断轴成分0.260.31 1.100.0190.040 1.300.120.210.030.040.0530CrMnTi GB/T3077-1999
垃圾锅炉
0.24～0.32
0.17～0.37
0.80～1.10≤0.035≤0.035
1.00～
1.30
≤0.30
≤0.30
≤0.15
0.04～0.10
—
表1 引风机断裂轴成分分析结果 （ω%）
表2 引风机断轴圆柱端面激光熔覆层合金元素分析结果 （ω%）
2.3 合金元素分析
使用美国NITON 898型合金分析仪对断裂轴头表面进行合金元素分析时，发现轴表面附着有激光熔覆的不锈钢粉末，其元素分析结果如表2：
测试部位/元素
Mn Cr Ni Mo 断裂轴头圆柱端面熔覆层轴头位置（未磨表面） 1.40±0.1916.10±0.2411.96±0.33 2.53±0.05断裂轴头圆柱端面熔覆层断口位置（未磨表面） 1.55±0.2416.57±0.3111.99±0.42 2.58±0.07断裂轴头圆柱端面熔覆层轴头位置（磨削0.1mm层） 1.38±0.1914.29±0.2310.25±0.32 2.24±0.05断裂轴头圆柱端面熔覆层轴头位置（磨削0.3mm层） 1.36±0.1812.98±0.239.57±0.32 2.01±0.05断裂轴头圆柱端面熔覆层轴头位置（磨削0.6mm层）
1.13±0.17
11.44±0.21
8.21±0.30
1.74±0.04
由合金元素分析结果可知，在激光熔覆层与母材交界的成分过渡层，出现了部分接近马氏体不锈钢成分的区域，可能会造成部分区域硬化。2.4
拉伸试验
图6 引风机断裂轴头拉伸、冲击试样取样位置图
在送检引风机断裂轴头断口附近部位，按照GB/T 2975-1998标准对轴类产品的取样位置规定（取样位置如图6所示），通过机械加工制备了1件符合GB/T 228.1-2010附录D 中的R03型标准圆型拉伸试样，使用SHT4605型600kN 微机控制电液伺服万能材料试验机进行了拉伸试验，试验结果见表3：
指标屈服强度ReL （N/ mm 2）抗拉强度Rm （N/ mm 2）断后伸长率A（%）断面收缩率Z（%）
引风机断轴拉伸试样37162026.06130C r M n T i 调质G B /T3077-1999
≥850
≥1470
≥9.0
≥40
表3 引风机轴材质拉伸试验结果
根据拉伸试验结果，引风机轴材质的强度远低于GB/T3077-1999中30CrMnTi 材质调质热处理后的指标要求[1]，而其塑性要高于调质热处理后的指标要求，推测该轴未进行调质热处理。2.5 冲击试验
在送检引风机断裂轴头断口附近部位，按照GB/T 2975-1998标准对轴类产品的取样位置规定（取样位置如图6所示），通过机械加工制备了3件符合GB/T 229-2007的V 型缺口冲击试样，使用ZBC2302型全自动低温冲击试验机对其进行了室温冲击试验，试验结果见表4：
指标
固体啤酒123平均冲击吸收功（J）
引风机断轴冲击试样
24
28
38
30
GB/T3077-1999中30CrMnTi调质态冲击功指标
≥47
表4 引风机轴材质冲击试验结果
冲击试验结果表明，引风机轴材质的平均冲击吸收功低于GB/T3077-1999中30CrMnTi 材质调质热处理后的指标要求[1]。材料的耐冲击性偏低，表征其抵抗疲劳载荷的能力偏低。2.6 硬度试验
按照客户指定，对断裂轴头的剖面的4个部位和激光熔覆的轴端面3个部位进行现场硬度试验，使用瑞士EQUITIP3型现场硬度计进行里氏硬度试验，试验结果见表4：
测试部位第1点第2点第3点第4点第5点平均值剖面中心213218228227231223剖面边缘
166
164
168
164
166
166
表5 引风机断裂轴头里氏硬度测试结果（HBHLD）
剖面中心至边缘1/3半径处191196182187196190剖面中心至边缘2/3半径处185190191197193191断裂轴头端面熔覆层表面190192191188193191断裂轴头端面熔覆层磨削约0.3mm 2422332252402252
33断裂轴头端面熔覆层磨削约0.6mm
346
383
339
306
336
338
柔翼无人机GB/T3077-1999中30CrMnTi退火或高温回火后硬度指标≤229
硬度试验结果表明，引风机断裂轴头母材、大部分激光熔覆层硬度均满足GB/T 3077-1999中30CrMnTi 退火或高温回火后硬度指标[1]，但在断裂轴头端面熔覆层磨削约0.6mm 处，存在部分硬度明显偏高的区域。2.7 金相组织分析
在引风机断裂轴头靠近断口部位切取剖面金相试样、切取轴向截面金相试样，由于断轴表面机械制造防盗监控设备
公司曾进行了激光熔覆，在激光熔覆表面选取熔覆表面层，并选取了打磨0.6mm 后发现的测试硬度较高部位进行粗磨、细磨、抛光和腐蚀操作后，使用德国ZEISS Axio ImagerA 2m 型研究级正立智能数字万能材料显微镜及图像分析
系统对剖面、轴向截面金相组织进行观察，使用DM-01型现场金相显微镜对激光熔覆表面金相组织进行了观察；
所检引风机断裂轴头横剖面金相组织构成均为铁素体+珠光体（见图7），断轴横截面的中心部位与边缘部位组织无明显差别，引风机断裂轴头轴向截面金相组织构成均为铁素体+珠光体（见图8），组织呈带状分布。该轴表面激光熔覆层如图9所示（外层未腐蚀表面为不锈钢激光熔覆层），所检断轴表面激光熔覆表面金相组织为颗粒状分布的奥氏体（见图10），但在打磨0.6mm 后发现测试硬度较高的部分区域可观察到马氏体组织分布（见图11
）。
图7 引风机断裂轴头横剖面金相组织（50×，100×）
涂布刮刀
图8 引风机断裂轴头轴向截面金相组织（50×，100×）
图9 轴表面激光熔覆层（50×） 图10 轴表面激光熔覆层金相组织（200×）
图11 轴表面激光熔覆硬化层金相组织（200×）
金相试验结果表明，该引风机轴金相组织不符合调质热处理组织，而是直接采用拉拔成型的钢棒通过机加工制造。引风机轴的激光熔覆表面大部分区域金相组织为颗粒状分布的奥氏体，在部分区域可观察到马氏体组织分布。2.8 试验总结
通过引风机断裂轴头的光谱及合金元素成分分析、拉伸试验、冲击试验、硬度试验、金相组织分析试验，试验和分析结果表明：引风机断裂轴采用了符合GB/T 3077-1999中30CrMnTi 材质要求的钢材制造，但轴未进行调质热处理，而直接采用拉拔成型的钢棒通过机加工制造，导致其强度、冲击性能指标低于GB/T 3077-1999中30CrMnTi 材质调质热处理后的指标要求。材料抵抗冲击载荷的性能偏低，
表征其抵抗疲劳载荷的能力偏低，其综合力学性能未达最佳状态。其外表面采用激光熔覆方式附着的316不锈钢粉末分布基本均匀，但在激光熔覆层与母材交界的过渡层
存在部分接近马氏体不锈钢成分的含量区，形成了部分马氏体淬硬层，导致部分区域硬度偏高。引风机断裂轴头的断口形貌分析表明，断裂轴头断口整体呈现较为明显的脆性低应力高周疲劳断口形貌，轴肩机加工退刀操作时表面残留的机加工缺陷为疲劳裂纹的初始疲劳源。3 综合分析
根据车间提供的情况及断口形貌分析情况，分析芳烃装置加热炉J-602引风机轴断裂原因如下：
断裂部位结构不合理。断口位于轴肩尺寸变化处，无明显的过渡圆弧，导致该处应力集中严重（见图2、图3）。
轴肩机加工退刀操作时表面残留的机加工缺陷成为疲劳裂纹的初始疲劳源（见图12
）。
图12 引风机轴断口附近的表面缺陷
在引风机轴断口附近的轴表面可见存在较多的表面缺陷，这些缺陷可能是机加工伤痕，也可能是使用拆卸过程中造成的缺陷，在断口的位置
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议