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1、第13卷第1期腐蚀科学与防护技术Vol113No112001年1月CORROSIONSCIENCEANDPROTECTIONTECHNOLOGYJan12001循环氢压缩机组主汽轮机轴失效分析11122董超芳 李晓刚 陈华 杨力 王汉军(11北京科技大学表面科学与腐蚀工程系北京100083)(21锦西炼油化工总厂锦西125001)摘 要 通过硬度检测、金相检验、宏观及微观断口分析,结合力学分析证实了汽轮机轴失效是由于轴肩变径处加工刀痕导致应力集中,造成多条疲劳裂纹萌生、扩展及最终的断裂,提出了防止汽轮机轴疲劳断裂的措施.关键词 汽轮机轴 疲
2、劳 断裂 失效分析中图分类号 TG17219文献标识码 A文章编号 1002-6495(2001)0120060203FAILUREANALYSISOFTURBINEAXESOFACIRCULATORYHYDROGENCOMPRESSOR11122DONGChaofang,LIXiaogang,CHENHua,YANGLi,WANGHanjun(11UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083)(21ResearchInstituteofJinXiRefinery,Jinxi12
3、5001)ABSTRACTThefailureofaturbineaxeswasinvestigatedbysclerometer,opticalmicroscopy,SEM,andmechanicsanalyses.Ithasbeenfoundthatthesurface-machiningnick,whichresultedinstressconcentration,whichinducedinitiationandgrowoffatiguecracks,andfinallyruptureoftheaxes.Ac2cordingtoth
4、eexperimentresults,measurestopreventthefatiguefailurehavebeensuggested.KEYWORDSturbineaxes,fatigue,fracture,failureanalysis[2] 主汽轮机轴是循环氢压缩机组最重要的部件之的淬回火索氏体组织,组织均匀,夹杂物含量少,一,运行时所临介质为水蒸汽,控制转速为1581m/材质组织合格.min,主蒸汽温度370℃,压力3.2MPa.在运行中突能谱分析轴的材料含元素Cr、Mo、Mn,进一步化然发生断裂,导致前轴承箱破裂事故,汽轮
5、机主轴从学分析表明该轴为日本SCM22系列30CrMoA钢.距轴端245mm轴肩变径(由120mm变至70mm)经超声波清洗后,进行宏观断口观察,断裂呈脆处断裂,图1为轴断口的宏观形貌.性,是典型的疲劳断口.图1可见,整个断口分3个本文对事故断口进行了金相及扫描电镜观察,并区域:(a)裂纹萌生区(表现为平滑区)和45°方向扩结合力学分析,确定了失效原因,并提出预防措施.展区:(b)90°扩展区(垂直于轴向,快速扩展,表现为粗糙区;(c)瞬断区,表现为多条裂纹汇合撕裂.1失效行为分析硬度分析采用显微硬度仪随机对轴上所取试样测量硬度值.测得维氏
6、硬度为3248MPa,根据材料[1]的硬度与强度之间的关系为:HV≈0.3σS(1)σb(MPa)≈0134HV(2)算出轴的σS≈970MPa,σb≈1127MPa.金相显微镜观察浸蚀后的轴材料,为晶粒细小收到初稿:1999212230;收到修改稿:2000205208Fig.1Themicrographyoffailedpiston作者简介:董超芳,女,1976年生,博士生1期董超芳等:循环氢压缩机组主汽轮机轴失效分析 61经宏观观察发现,轴的外缘机加工刀痕明显可裂区可观察到韧窝形貌,但不是很明显,说明轴的材见,表明裂纹可能起始于轴肩
7、变径处的刀痕(此处剪质具有脆性.微观断口分析进一步证实了轴疲劳断应力τ1最大),而且是多条裂纹萌生和扩展过程.汽裂的特征.轮机轴肩变径处的应力状态是最大主应力方向与轴通过实验可知汽轮机轴肩变径处加工刀痕的存向大约成45°角,因而造成了(a)区中裂纹沿45°方向在引起了较高的应力集中,并在汽轮机运行和开停扩展.宏观断口出现的裂纹扩展过程中间歇前进的过程中产生的高变载荷作用下,导致了轴肩变径刀[3]贝壳状线,也说明汽轮机轴是疲劳断裂.图1中的痕处的多疲劳裂纹萌生,并沿最大主应力面方向(与裂纹90°扩展区域中能够看到断口表面粗糙,裂纹轴向约成45
8、°角)扩展.当裂纹沿45°方向扩展约20扩展过程中有宏观河流花样以及放射状痕迹,粗糙mm时,由于变截面处有效承载半径的减小,拉应力区的放射条纹表明为裂纹快速扩展区域,也是疲劳作用
