空預(yù)器導(dǎo)向軸承失效分析及預(yù)防措施

浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司 季靜靜

1 引言

某電廠一期機(jī)組鍋爐空預(yù)器為哈爾濱鍋爐廠空氣預(yù)熱器有限公司設(shè)計(jì)提供的容克式三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，型號(hào)為28.5-VI(T)-1733-SMR，轉(zhuǎn)子直徑為Φ9970mm，轉(zhuǎn)子總重量190t/臺(tái)空預(yù)器，傳動(dòng)方式為中心傳動(dòng)，空預(yù)器轉(zhuǎn)子采用冷端支承方式，在空預(yù)器轉(zhuǎn)子的上、下端各設(shè)置導(dǎo)向軸承和支承推力軸承。空預(yù)器導(dǎo)向軸承安裝于軸承座內(nèi)，運(yùn)行中軸承座處于封閉狀態(tài)，若運(yùn)行參數(shù)無(wú)明顯變化，較難判斷軸承故障[1]?？疹A(yù)器為鍋爐重要輔機(jī)，若導(dǎo)向軸承故障，可能導(dǎo)致空預(yù)器故障跳閘等重大后果，本文通過某廠2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承內(nèi)圈開裂失效案例分析，通過對(duì)失效軸承進(jìn)行宏觀檢查及理化試驗(yàn)查找及分析失效原因[2-3]，并進(jìn)一步拓展總結(jié)空預(yù)器導(dǎo)向軸承失效形式及預(yù)防措施，供發(fā)電廠鍋爐專業(yè)人員參考借鑒[4-5]。

2 空預(yù)器導(dǎo)向軸承失效情況

軸承失效情況：2021年4月中旬，#2機(jī)組C修期間，檢修人員根據(jù)安排在對(duì)2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承檢查中發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈開裂失效（見圖1），檢查軸承箱潤(rùn)滑油質(zhì)未見異常，拆卸該軸承后發(fā)現(xiàn)失效斷口平直，無(wú)明顯氧化皮，裂紋起裂于內(nèi)圈主軸側(cè)上方導(dǎo)角平面上的腐蝕凹坑，凹坑處有約1mm半徑的扇形損傷，后以此為中心，向外圍放射狀擴(kuò)展。本次檢修中對(duì)該導(dǎo)向軸承進(jìn)行了更換，并將失效的導(dǎo)向軸承外送浙能技術(shù)研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化檢驗(yàn)，以便于查找并分析該軸承的失效原因，同時(shí)檢修中對(duì)2B空預(yù)器導(dǎo)向軸承通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行了仔細(xì)排查，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 失效的軸承內(nèi)圈

圖2 斷口圖

3 空預(yù)器導(dǎo)向軸承失效原因分析

3.1 導(dǎo)向軸承結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況

失效的2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承為雙列向心球面滾子軸承，軸承型號(hào)23072CCK，軸承品牌為SKF。詳細(xì)導(dǎo)向軸承結(jié)構(gòu)見圖3。該導(dǎo)向軸承除用作固定空預(yù)器轉(zhuǎn)子上端軸的旋轉(zhuǎn)中心外，還承受由風(fēng)煙差壓所引起的側(cè)向推力以及轉(zhuǎn)子晃動(dòng)所引起的徑向推力。該導(dǎo)向軸承安裝在軸承箱內(nèi)，軸承內(nèi)圈固定在上軸套上，外圈固定在導(dǎo)向軸承座上，上軸套通過鎖緊盤抱緊上軸，整個(gè)上軸套加導(dǎo)向軸承座隨著空預(yù)器主軸的熱膨脹而相應(yīng)位移，導(dǎo)向軸承座可在導(dǎo)向軸承外殼內(nèi)做軸向移動(dòng)。軸承外殼支承在上梁中心部分，軸承采用油浴潤(rùn)滑，軸承正常轉(zhuǎn)速約為0.9轉(zhuǎn)/分，軸承潤(rùn)滑油為長(zhǎng)城N680重負(fù)荷極壓工業(yè)齒輪油，軸承箱潤(rùn)滑油冷卻方式為采用閉式循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻。該軸承由空預(yù)器廠家隨機(jī)配供，自2011年10月機(jī)組投產(chǎn)后使用情況良好，歷次檢修中均檢查正常，檢修前運(yùn)行中該導(dǎo)向軸承溫度、振動(dòng)等各項(xiàng)參數(shù)均正常，空預(yù)器電流運(yùn)行平穩(wěn)，截至本次失效時(shí)已使用約10年，已接近設(shè)計(jì)使用壽命。

圖3 空預(yù)器導(dǎo)向軸承結(jié)構(gòu)圖

3.2 理化檢驗(yàn)情況

3.2.1 光譜分析

用iSpark8860定量光譜儀對(duì)失效的軸承內(nèi)圈材料牌號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，軸承內(nèi)圈成分如表1所示。軸承內(nèi)圈材質(zhì)不詳，查閱GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》，判斷軸承內(nèi)圈材質(zhì)可能為GCr15SiMn。

表1 軸承內(nèi)圈成分（質(zhì)量百分比/%）

3.2.2 金相分析

在斷口切面B和切面A（切面位置見圖1）進(jìn)行金相試驗(yàn)，金相組織如圖4所示，兩切面均有細(xì)小顯微孔隙，金相組織為隱晶馬氏體+殘余碳化物顆粒，碳化物評(píng)級(jí)II級(jí)，有較大條狀?yuàn)A渣和塊狀未熔金屬，切面A顯微空隙中夾渣邊上有兩條微裂紋。

圖4 金相圖

3.2.3 力學(xué)分析

取沖擊樣進(jìn)行拉伸沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，拉伸沖擊試驗(yàn)未見異常。

表2 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.4 硬度試驗(yàn)

現(xiàn)代學(xué)徒制之所以被職業(yè)院校所推崇，主要原因是可以將教師在實(shí)踐工作的經(jīng)驗(yàn)和做法直接教給學(xué)生，每一位教師多年來(lái)都積累了一定的工作經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)運(yùn)用和技術(shù)創(chuàng)新中都會(huì)有自己獨(dú)到的理解，通過現(xiàn)代學(xué)徒制可以手把手教給學(xué)生，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中真正得到老師的“真?zhèn)鳌?，也讓人類社?huì)的技術(shù)能夠代代傳承，這也是傳承工匠精神的真諦。

在軸承橫截面使用NEXUS 3001布氏硬度計(jì)檢查。在切面A金相試驗(yàn)位置進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，硬度值如表3所示。查閱鋼鐵材料手冊(cè)《工具鋼 軸承鋼》，此牌號(hào)軸承鋼硬度不小于62HRC，轉(zhuǎn)換硬度值稍低于手冊(cè)要求。

表3 硬度值

3.2.5 斷口掃描檢測(cè)

對(duì)失效的軸承內(nèi)圈斷口起裂擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行掃描，如圖5（a）所示，斷口起裂位置有1個(gè)凹坑，近表面小區(qū)域有磨損痕跡，從凹坑為中心有隱約放射狀紋路。如圖5（b）、5（c）所示，將凹坑區(qū)域放大后觀察，裂紋起源于凹坑底部方塊狀?yuàn)A渣區(qū)域，進(jìn)行能譜面掃發(fā)現(xiàn)方塊狀?yuàn)A渣主要成分為Cu。如圖5（d）、5（e）所示，擴(kuò)展區(qū)斷口呈冰糖狀，細(xì)小球形顆粒狀覆蓋表面，能譜檢測(cè)主要成分為Fe、C，應(yīng)為球狀滲碳體。如圖5（f）所示，在擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)細(xì)小二次裂紋。

圖5 斷口掃描圖

3.3 失效原因討論分析

失效的導(dǎo)向軸承內(nèi)圈斷口平整，上部斷口光滑，下部漸漸粗糙，內(nèi)圈上端導(dǎo)角表面有較多腐蝕凹坑，裂紋起源于一個(gè)凹坑底部，呈細(xì)扇形狀向橫向、縱向放射狀擴(kuò)展，呈解理斷裂特征。對(duì)斷口SEM掃描，斷口呈冰糖狀，為沿晶斷裂特征，多處有細(xì)小二次裂紋，在起裂凹坑底部有多塊塊狀未溶解Cu金屬（能譜檢測(cè)），Cu塊距內(nèi)圈外表面約1mm。

對(duì)軸承內(nèi)圈理化試驗(yàn)，光譜分析內(nèi)圈材質(zhì)為高鉻碳軸承鋼GCr15SiMn，布氏硬度轉(zhuǎn)換的洛氏硬度為59.46HRC，沖擊功KU2=5.66。查閱鋼鐵材料手冊(cè)，洛氏硬度稍低于手冊(cè)要求值，沖擊功雖無(wú)要求，但表明此材料較脆。樣品拋光態(tài)下有較多未熔解塊狀Cu金屬，降低了沖擊功，金相組織為隱晶馬氏體+殘余碳化物顆粒，夾渣、碳化物等評(píng)級(jí)均符合GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》要求。

綜上所述，軸承內(nèi)圈上方導(dǎo)角區(qū)域處于空氣與潤(rùn)滑油交界位置，由于Cu塊埋于表面下，通過晶界處或夾渣的通道形成局部微電池，造成表面電化學(xué)腐蝕，形成了導(dǎo)角面上多處小腐蝕坑。軸承在運(yùn)行中承受循環(huán)沖擊，如切面A顯微空隙照片中夾渣邊上萌生了兩條微裂紋。對(duì)于軸承鋼，能萌生裂紋的夾雜物尺寸多數(shù)在2～6μm，易表面萌生裂紋的夾雜物位置多數(shù)萌生于表面下0.03～0.06mm范圍內(nèi)，而近表面的夾雜物（Cu）在腐蝕后均滿足以上條件。加上此內(nèi)圈材料沖擊功極低，耐沖擊能力下降，表面微裂紋形成后，在運(yùn)行中受較大沖擊后，裂紋極易快速擴(kuò)展，造成內(nèi)圈開裂失效。

3.4 結(jié)論

2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承內(nèi)圈材料中存在較多2～6μm大小夾渣物（非金屬化合物和未熔解小Cu塊），內(nèi)圈導(dǎo)角表面有多處小腐蝕坑，裂紋起源于腐蝕坑底部，同時(shí)材料的沖擊韌性差，在承受較大沖擊載荷時(shí)，表面裂紋迅速擴(kuò)展開裂，導(dǎo)致2A空預(yù)器導(dǎo)向軸承內(nèi)圈失效，軸承損壞。

4 預(yù)防措施

一是導(dǎo)向軸承采購(gòu)時(shí)應(yīng)選用采用優(yōu)質(zhì)知名品牌，嚴(yán)格執(zhí)行入軸承庫(kù)前的驗(yàn)收，確保軸承產(chǎn)品達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求。

二是規(guī)范空預(yù)器檢修作業(yè)，檢修或更換導(dǎo)向軸承步驟需嚴(yán)格安裝廠家要求執(zhí)行，特別注意空預(yù)器傳動(dòng)軸偏心值應(yīng)符合制造廠規(guī)定值，并做好檢修記錄。

三是定期對(duì)空預(yù)器導(dǎo)向軸承進(jìn)行檢查，檢查前需將油放空并進(jìn)行徹底清洗，可通過內(nèi)窺鏡等手段對(duì)軸承進(jìn)行可見區(qū)域進(jìn)行徹底檢查，必要時(shí)可對(duì)導(dǎo)向軸承進(jìn)行解體檢查，確定軸承狀況。

四是根據(jù)廠家建議的軸承使用壽命，做好軸承更換的規(guī)劃并利用檢修機(jī)會(huì)進(jìn)行更換，確無(wú)更換機(jī)會(huì)的做好軸承運(yùn)行狀況的監(jiān)控。

五是完善導(dǎo)向軸承箱密封結(jié)構(gòu)，做好防雨水、灰塵等侵入措施，特別是空預(yù)器進(jìn)行高壓水沖洗前需加強(qiáng)對(duì)軸承箱密封結(jié)構(gòu)的檢查。運(yùn)行中運(yùn)行及檢修人員需每日檢查軸承油位及油質(zhì)情況，對(duì)軸承箱潤(rùn)滑油定期進(jìn)行取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)周期不應(yīng)超過半年，發(fā)現(xiàn)油質(zhì)劣化時(shí)及時(shí)更換潤(rùn)滑油，確保軸承良好的使用環(huán)境。

六是運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)空預(yù)器電流、軸承油溫、異聲等監(jiān)視，及早發(fā)現(xiàn)軸承異常情況并采取必要的措施，避免因軸承損壞造成空預(yù)器故障停運(yùn)。

七是實(shí)施空預(yù)器傳熱元件改造等可能改變空預(yù)器軸承載荷變化的技術(shù)改造前，提前聯(lián)系廠家做好設(shè)計(jì)校核，確保軸承滿足改造后使用條件，否則需對(duì)軸承進(jìn)行改造或更換。

5 結(jié)語(yǔ)

在分析鍋爐空預(yù)器及其他轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備軸承失效的過程中，往往會(huì)碰到許多錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象，各種試驗(yàn)結(jié)果可能是互相矛盾或者主次不清，這就需要反復(fù)試驗(yàn)、論證，只有運(yùn)用正確的分析方法、程序、步驟，才能找到失效的真正原因，本文中失效分析的對(duì)象為空預(yù)器導(dǎo)向軸承，該分析方法同樣適用于空預(yù)器支承軸承的失效分析。但失效分析是事后分析，更為重要的是提前做好防止軸承失效的預(yù)防措施，電廠回轉(zhuǎn)式空預(yù)器為鍋爐的重要輔機(jī)，若發(fā)生故障可能導(dǎo)致機(jī)組減負(fù)荷甚至非計(jì)劃停役，通過加強(qiáng)對(duì)空預(yù)器的運(yùn)行監(jiān)視和檢修維護(hù)，可以減少空預(yù)器導(dǎo)向及支承軸承故障頻率，提高空預(yù)器運(yùn)行的可靠性，進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。