磨煤機動態分離器轉子葉片裂紋分析

馬 龍，邊技超，王 軒，蔣 文

(北京電力設備總廠有限公司，北京 102401)

0 前 言

磨煤機是火電廠鍋爐制粉系統的主要設備之一。動態分離器是安裝在磨煤機上方的一個主要部件，其主要作用是對碾磨出的細煤粉進行篩選分離并提高均勻性，煤粉細度和均勻性指數是影響鍋爐燃燒狀況的重要因素。動態分離器的轉子由變頻電機驅動，電機轉速通過變頻器由DCS遠程在線調節，調節范圍5～50 Hz。動態分離器能根據燃煤煤質及工況的變化，及時方便地調整煤粉細度，可以滿足用戶對不同煤粉細度的需要，擴大發電廠煤種的選用范圍，降低燃料成本。動態分離器還可提高細粉分離效率，避免合格煤粉重復碾磨，降低制粉電耗，降低鍋爐內燃料的不完全燃燒損失及排煙熱損失，從而降低發電煤耗[1]。因此，動態分離器在燃煤電廠制粉系統中得到廣泛應用。

某電廠磨煤機動態分離器轉子結構如圖1所示。在運行一段時間后，轉子下層葉片中有50余片葉片在焊縫附近產生橫向裂紋，并有12片葉片已脫落。其轉子葉片材料為NM500耐磨鋼，轉子框架材料為Q235-B鋼。為了使動態分離器運行具有較高的穩定性及可靠性，其轉子一般都要達到G1級的平衡精度等級要求。如果轉子葉片發生斷裂會導致轉子的動不平衡大幅增加，嚴重影響轉子動平衡性能，加劇設備振動，使軸承及齒輪的壽命減少，煤粉細度調節能力降低。綜上，轉子葉片焊接的可靠性尤為重要。

圖1 轉子結構示意圖

1 動態分離器轉子葉片裂紋分析

通過現場觀察、分析裂紋出現的位置及斷口的特點，可得出以下結論：

(1)焊縫表面無裂紋；

(2)裂紋發生在焊縫上方的熱影響區內；

(3)裂紋在使用一段時間后產生并延展直至斷裂，且裂紋以焊趾裂紋為啟源裂紋符合延遲冷裂紋(氫致裂紋)的特征；

(4)裂紋發生在轉子下層葉片的上端焊縫焊附近，且下錐體為多塊兒板拼焊，有一定的變形；

(5)斷口具有發亮的金屬光的脆性斷裂特征，是一種未分叉的純斷裂，并可呈人字紋形態發展。

(6)轉子葉片主要受離心力及一次風粉混合物產生的阻力力矩，與焊縫強度及鋼板強度相比較，葉片受的離心力及阻力力矩可忽略(轉子轉速<100 r/min，一次風粉混合物流速20 m/s～30 m/s)。

綜上所述，可以得出以下結論：葉片裂紋屬于焊接冷裂紋，裂紋的延展主要是由焊接內應力及下錐體變形產生的應力導致(如圖2所示)。

圖2 轉子葉片裂紋

2 NM500鋼焊接性能分析

分離器轉子在磨煤機內受煤粉沖刷，葉片材料需采用高強度耐磨鋼，延長轉子使用壽命，以減少因磨損帶來的停機檢修，從而提高生產效率。

NM500是一種低合金高強度耐磨鋼，具有較高的抗磨損能力，布氏硬度值達到500(HBW)，廣泛應用于冶金、機械、礦山等行業需要耐磨的場合或為部位提供防磨保護[2]。該轉子葉片采用某鋼鐵生產的NM500鋼，厚度為6 mm，其化學成分見表1。

表1 某鋼鐵公司NM500鋼化學成分表

2.1 NM500鋼的碳當量及冷裂紋敏感指數

碳當量是把包括碳在內的鋼中合金元素含量按其作用換算成碳的相當含量?？梢宰鰹樵u定鋼材淬硬、冷裂及脆化等性能的參考指標。這對焊接工藝條件如預熱、焊后熱處理、線能量等的確定具有重要的指導作用。計算得到的碳當量數值越大，則被焊鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區越容易產生冷裂紋。

如表2所示，不同國家根據自己國家的鋼鐵冶煉系統建立了各自的碳當量公式[3]。不同國家的碳當量公式有其適用范圍，使用時需根據具體鋼材的含碳量及其他化學成分含量判斷。

表2 常用的碳當量公式

根據NM500鋼的碳含量及化學成分選擇美國焊接學會(AWS)公式計算碳當量值，得到Ceq=0.61%。

NM500鋼的碳當量值表明該鋼材易淬硬，屬于難焊材料，焊接必須預熱才能防止裂紋，且焊后必須做消應力處理。焊接時，鋼種的淬硬傾向越大，越易產生裂紋，鋼種淬硬后會形成馬氏體組織，晶格發生較大的畸變，使組織處于淬硬狀態，特別是在焊接條件下，近焊縫區的溫度很高(達1 350～1 400 ℃)使奧氏體晶粒顯著增大，快冷時轉為粗大的馬氏體，性能更為脆硬，且對氫脆非常敏感。

NM500鋼的化學成分冷裂敏感指數Pcm=0.36%。相關研究指出，當鋼的化學成分冷裂敏感指數Pcm≤0.2%時，防止冷裂紋的預熱溫度可以不超過50 ℃[4]。NM500鋼的化學成分冷裂敏感指數Pcm=0.36%>0.2%，具有較高的焊接冷裂紋敏感性，易出現冷裂紋。

2.2 NM500鋼焊接預熱溫度對裂紋的影響

考慮鋼板厚度及焊縫中擴散氫[H]對冷裂紋的影響，研究人員在鋼的化學成分冷裂敏感指數Pcm的基礎上給出焊接冷裂紋敏感指數Pc(見式1)，在焊接冷裂紋指數Pc的基礎上可計算焊接NM500鋼需要預熱的溫度[4]。

(1)

T0=1 440Pc-392

(2)

式中:Pcm為日本ITO公式計算的化學成分冷裂敏感指數(單位%)；Pc為焊接冷裂紋敏感指數(單位%)；[H]為熔敷金屬中的擴氫含量(GB/T3965中的甘油法ml/100g)；t為被焊金屬的板厚(mm)；T0為鋼板防止產生焊接冷裂紋所需要預熱的溫度。

由公式(2)可知焊接預熱溫度與板厚有關，鋼板越厚預熱所需的預熱溫度越高。轉子動葉片的的板厚t=6 mm，[H]為2 ml/100 g，則NM500鋼的焊接冷裂紋敏感指數Pc=0.403%。

轉子葉片防止產生焊接冷裂紋所需要預熱的溫度T0=188 ℃。

2.3 NM500鋼焊縫冷卻時間對裂紋的影響

我國利用插銷試驗法在大量試驗的基礎上建立了國產低合金鋼產生焊接冷裂紋的臨界應力經驗公式[5]：

σcr=1 323-275 lg([H]+1)-2.16HVmax+

0.102t100

(3)

式中:σcr為產生焊接冷裂紋的臨界應力(Mpa)；t100為焊縫溫度由峰值溫度冷卻到100 ℃時的冷卻時間；HVmax為焊接影響區的平均最大硬度(維氏)。

計算出的冷裂紋臨界應力值應大于實際焊接材料的拘束應力。由公式可知，延長冷卻時間，并使用低氫焊條可提高臨界應力值，也可以作為防止冷裂紋出現的有效措施。

3 焊條及焊接工藝對冷裂紋的影響

焊接廠家使用的是氣體保護電弧焊實心焊絲，選用的是市場上大量使用的碳鋼、低合金鋼焊絲Mn-Si系焊絲ER50-6(GB/T8110)。 ER50-6焊絲抗拉強度大于500 MPa，屈服強度大于420 MPa，伸長率大于22%，具有優良的塑性、韌性和抗裂效能。常用于Q235A、B級的母材焊接及某些低合金鋼如Q345。焊條的選擇一般遵循以下原則[5]：

為防止焊接裂紋，應根據焊接性能較差的母材選取焊接工藝，對于低合金高強度鋼，在保證焊接街頭強度的前提下，重點考慮焊接材料的抗裂性及焊縫金屬的塑韌性。因此應優先考慮選擇低氫及超低氫的焊接材料及塑韌性優良的焊接材料。

對于兩種強度級別不同的結構鋼之間的焊接，應按強度級別低的母材選擇焊接材料。

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應使焊接接頭的塑性和沖擊韌性不低于被焊接的鋼材。

根據焊條選擇原則，NM500鋼與Q235-B鋼強度級別差距較大，應根據Q235-B鋼選擇焊條，外協廠家選擇ER50-6焊條符合要求，也是最經濟的選擇。同時現場實際證明，焊縫處無裂紋，說明焊縫強度及韌性符合使用要求。但焊接工藝應按焊接性能差的材料NM500鋼制定。

經調查，焊接廠家在焊接NM500鋼時沒有調整焊接工藝，焊接前無預熱，焊中無保溫，焊后無消應力處理。

表3 轉子葉片實際焊接參數及工藝

4 NM500鋼焊接裂紋預防措施

根據對NM500鋼焊接性能及廠家實際焊接工藝的分析，制定焊接工藝時需注意以下幾點：

(1)焊前預熱，分離器轉子葉片較薄焊前預熱188 ℃左右，若冬天室外施焊(低于-5 ℃)需預熱溫度還需提高；

(2)施焊時一道焊縫一次性焊完，中間不停；

(3)焊完后，用石棉覆蓋焊縫，防止冷卻過快；

(4)采用低氫系或超低氫系焊材可防止延遲裂紋，但低氫焊條工藝性能較差，一般用直流電源施焊，主要用于重要結構及剛性厚度較大的焊接中，成本較高，推薦使用實心焊絲，擴散氫含量較低，適合焊接薄鋼板；

(5)焊后消應力處理，轉子工件較大，且整體消應力會影響NM500鋼的耐磨性，可對焊縫進行局部加熱進行消應力，并對焊縫處進行敲擊；

(6)焊接前需保證焊絲干燥，清理焊接件上的油污及露水，防止熔覆金屬中擴散氫的含量超標導致延遲裂紋。

5 結 論

(1)該轉子動葉片存在焊接冷裂紋，轉子的下錐體為多塊兒拼焊，且焊后沒有消應力，下層葉片在自身焊接應力及下錐體變形產生的應力的作用下，裂紋擴展并發生斷裂。

(2)低合金高強度鋼NM500鋼屬于難焊材料，焊接時易出現裂紋，需要采取一定的防裂措施。

(3)NM500鋼雖然有較強的耐磨性，但焊接性能差，容易出現比較嚴重的焊接缺陷，影響設備的安全性及穩定性，通過對材料的焊接性及成本等各方面綜合考慮，轉子葉片材料建議使用可焊性較好的材料NM400鋼。